[论文解读] Intrinsic and induced quantum quenches for enhancing qubit-based quantum noise spectroscopy

Yuxin Wang, Aashish A. Clerk|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 79被引用 28

一句话总结

本文揭示了标准T2基量子传感协议在协议启动时，由于环境退相干哈密顿量的突然变化，会不可避免地在环境浴中引发量子淬火。通过分析由此产生的淬火相移（QPS），作者证明了该效应可直接用于测量环境温度并重构谱函数，从而提供一种超越标准退相干测量的新颖、内在的传感模式。

ABSTRACT

We discuss how standard $T_2$-based quantum sensing and noise spectroscopy protocols often give rise to an inadvertent quench of the system or environment being probed: there is an effective sudden change in the environmental Hamiltonian at the start of the sensing protocol. These quenches are extremely sensitive to the initial environmental state, and lead to observable changes in the sensor qubit evolution. We show how these new features can be used to directly access environmental response properties. This enables methods for direct measurement of bath temperature, and methods to diagnose non-thermal equilibrium states. We also discuss techniques that allow one to deliberately control and modulate this quench physics, which enables reconstruction of the bath spectral function. Extensions to non-Gaussian quantum baths are also discussed, as is the direct applicability of our ideas to standard diamond NV-center based quantum sensing platforms.

研究动机与目标

• 识别并表征标准T2基量子噪声光谱学（QNS）协议中意外产生的量子淬火。
• 表明这些淬火源于有效浴哈密顿量的突然变化，且对初始浴态敏感，而不仅取决于耦合强度。
• 开发方法，利用这些淬火作为新型传感工具，以测量环境温度和谱函数。
• 将该框架扩展至非热态和非高斯浴态，以探测非平衡动力学。
• 展示基于淬火的传感方法在现有平台（如金刚石中的NV中心）中的直接适用性。

提出的方法

• 将有效浴哈密顿量 ˆHb,eff(t) 形式化为时间依赖算符，其在 t=0 时因量子比特的初始叠加态而发生突然变化（即淬火）。
• 定义淬火算符 ˆV = ˆHb,eff(t=0+) − ˆHb,eff(t=0−) 和淬火控制函数 η(t)，以建模淬火的时间演化轮廓。
• 推导出淬火相移（QPS）的解析表达式：Φq(tf) = ∫ dt1 F(t1) ∫ dt2 η(t2) GRξV(t1−t2)，并将其与浴的耗散响应函数关联。
• 将QPS与Hahn-echo协议中的标准退相干测量相结合，以提取欧米茄浴的环境温度。
• 证明QPS对初始浴态的敏感性超越热平衡态，从而可诊断非平衡动力学。
• 将框架推广至非高斯浴态，并证明其与标准NV中心传感平台的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准T2基QNS协议如何无意中在环境浴中引发量子淬火？
• RQ2 淬火相移（QPS）的物理起源及其对初始浴态的依赖关系是什么？
• RQ3 QPS能否独立于退相干数据用于测量环境温度？
• RQ4 如何利用QPS重构浴的谱函数？
• RQ5 该基于淬火的传感框架在多大程度上适用于非热态和非高斯浴态？

主要发现

• 淬火相移（QPS）是T2协议开始时浴哈密顿量发生有效突变的直接结果，即使未刻意引入淬火亦然。
• QPS并非仅由初始浴哈密顿量决定，而是关键依赖于初始浴态，包括非热态和非平衡态。
• 对于欧米茄浴，将QPS测量与Hahn-echo协议中的标准退相干数据结合，可实现环境温度的直接、独立提取。
• QPS为浴的耗散响应函数提供了新探针，该响应函数与有效态密度相关，可用于重构谱函数。
• 该框架超越线性响应与弱耦合理论，适用于非高斯浴态，并可应用于如NV中心等实际传感平台。
• QPS可与外部相移区分开，且对初始量子比特态敏感，从而在量子传感中实现新的控制与诊断能力。