Repeater-enhanced distributed quantum sensing based on continuous-variable multipartite entanglement
纠缠是量子增强应用的独特资源。当用于感测时，分布式量子传感器之间的共享纠缠使得在估计量子传感器网络的全局参数时的测量灵敏度能够获得实质性增益。然而，在纠缠分布中发生的损失很快就消耗了纠缠量子传感器相对于提供本地量子资源的传感器所享有的测量灵敏度优势。在这里，我们提出了一种可行的方法来克服纠缠分布损失，并表明纠缠量子传感器所实现的测量灵敏度击败了最佳本地资源所提供的测量灵敏度。我们的方法依赖于无噪声线性放大器（NLA）作为量子中继器。我们表明，与构建量子中继器以抑制量子密钥分发的无中继器约束的突出挑战不同，基于NLA的分布式量子传感量子中继器是可以通过现有技术实现的。因此，分布式量子传感将成为受益于量子中继器的第一个应用实例。
2018-10-22 quant-ph
Quantum control and sensing of nuclear spins by electron spins under power limitations
以核自旋的频率测量或频率寻址为目标的现有技术量子传感实验需要以目标频率驱动探针系统。此外，在高磁场的区域中进行这些实验有很大的优点，其中所测量的自旋的拉莫尔频率很大。在这种情况下，当探头系统不能被设置为与目标频率谐振时，我们面临着控制具有非常高频率的目标系统的自然挑战。在这方面的贡献，我们提出了一组协议，能够面对这一挑战，即使在大的频率失配之间的探针系统和目标系统，无论是偏振和量子传感。
2019-03-31 quant-ph
The quantum trajectory sensing problem and its solution
本文提出群论框架以指数级简化量子轨迹感知中传感器态的正交约束求解，给出传感器态族与相互作用强度界，并建立其与量子纠错码的联系，实现抗噪声轨迹感知。
2024-10-01 quant-ph
Nuclear Magnetic Resonance model of an entangled sensor under noise
纠缠态传感器由于其灵敏度远高于传统传感器而受到人们的广泛关注。为了利用纠缠作为一种资源，重要的是要了解噪声的影响，因为纠缠态对噪声是脆弱的。在这里，我们提供了一个工程噪声下的纠缠传感器的核磁共振（NMR）模型：一个可以实现在各种噪声环境下的纠缠传感器。特别是，我们实验研究的纠缠传感器的性能下的时间不均匀的噪声环境的影响下，纠缠传感器持有潜在的击败经典传感器。我们的“纠缠传感器”由一个多自旋分子溶解在各向同性液体中组成，我们可以使用NMR技术进行量子传感。
2020-03-19 quant-ph
Unambiguous nuclear spin detection using engineered quantum sensing sequence
在噪声环境中感测、定位和识别单个核自旋或信号的频率分量需要开发鲁棒的和选择性的动态解耦方法。在这种情况下仍有待解决的一个重要挑战是当前动态去耦序列中的杂散高阶共振，因为它们可能导致对核或外部信号的不同频率分量的错误识别。在这里，我们克服了这一挑战与工程量子传感序列，实现增强的鲁棒性和更高的阶谐波共振的同时抑制。我们证明实验的原则，使用一个单一的氮空位中心自旋传感器，我们适用于明确的检测外部质子。
2017-11-08 quant-ph
Heterodyne Sensing of Microwaves with a Quantum Sensor
金刚石量子传感器对与自旋跃迁共振的弱微波磁场敏感。然而，这种协议中的光谱分辨率最终受到传感器寿命的限制。在这里，我们展示了一个外差检测方法的微波（MW），导致在GHz范围内的寿命独立的光谱分辨率。我们通过从相干源产生初始叠加态来将MW信号参考到本地振荡器。实验上，我们实现了一个低于$1\ \rm{Hz}$的$4\ \rm{GHz}$信号远低于传感器的寿命限制的千赫的光谱分辨率。此外，我们显示控制的相互作用的MW场与两个能级系统通过施加敷料领域，脉冲Mollow吸收和Floquet动力学下强纵向射频驱动。虽然脉冲Mollow吸收导致最高的灵敏度，Floquet动态允许独立于系统谐振频率的鲁棒控制。本文的工作对今后开展宽频率范围、高光谱分辨率的微弱微波信号探测研究具有重要意义。
2020-08-23 quant-ph
Quantum memory assisted precision rotation sensing
我们建议通过采用多体量子自旋系统来实现固态旋转传感器，该多体量子自旋系统利用了电子自旋的易控制性和集体核自旋态提供的鲁棒性。该传感器由一个中心电子自旋耦合到许多周围的核自旋。以前，这种中心自旋系统被认为可以实现量子存储器。在这里，我们进一步利用集体核自旋，它存储了一定的量子态，以检测宏观旋转。与其他基于核自旋的陀螺仪不同的是，我们的方案不直接通过核磁共振技术操纵核自旋。我们分析和数值研究的影响，部分核极化和退相干的灵敏度。我们还简要介绍了通过量子存储技术在核自旋之间产生纠缠以及利用这种纠缠来提高传感性能的过程。我们的建议铺平了道路，实验实现一个紧凑的固态，全电和自旋陀螺仪。
2020-01-08 quant-ph
Exponential advantage in quantum sensing of correlated parameters
Cornell University（康奈尔大学）；NTT Research, Inc.（NTT研究所）
本文提出利用纠缠量子传感器在相关随机参数的分类和估计任务中实现指数优势，相较于经典传感器的二次优势。
2025-12-23 quant-ph
Enhanced quantum sensing in time-modulated non-Hermitian systems
Shangrao Normal University（上饶师范学院）；Hangzhou Normal University（杭州师范大学）
本研究提出两种理论方案，利用非厄米特系统中本征值和本征态的共alesce，实现时间调制系统中量子传感灵敏度的显著提升。
2025-06-07 quant-ph
Proposed rapid detection of nuclear spins with entanglement-enhanced sensors
最近，在金刚石中探测具有氮空位（NV）中心的核自旋方面取得了重大进展。然而，由于短程偶极-偶极相互作用的性质，需要很长时间才能用NV中心探测到遥远的核自旋。在这里，我们提出了一个快速检测核自旋与NV中心之间的纠缠。我们发现，所需的时间来检测与纠缠的核自旋是几个数量级短于可分离的NV中心。我们的研究结果为纳米核磁共振光谱学的新应用铺平了道路。
2021-05-07 quant-ph
Fundamental limits for reciprocal and non-reciprocal non-Hermitian quantum sensing
非厄米动力学已经被广泛研究以提高量子传感的精度;并且非互易性可以是非厄米量子传感的强大资源，因为非互易性允许任意超过任何互易传感器的测量速率的基本界限。在这里，我们建立了互易和非互易非厄米量子传感的信噪比的基本限制。特别是，对于具有两个相干驱动器的双模线性系统，对于互易和非互易传感器，每个光子的最佳可能测量速率上的近似可达到的统一界限。这个界限只与耦合系数有关，原则上可以任意大。因此，我们的研究结果表明，一个传统的互易传感器与两个驱动器可以模拟任何非互易传感器。这项工作也展示了一个清晰的签名如何激励信号影响的信噪比在非厄米量子传感。
2021-04-22 quant-ph
Non-Markovian Sensing of a Quantum Reservoir
量子传感探索使用传感器的量子资源来实现物理量的高灵敏度测量的协议。传统的方案通常使用酉动态来将量编码成传感器状态。为了测量量子库的光谱密度，这在控制微观系统中的量子退相干中起着至关重要的作用，我们提出了一种非么正编码的光学传感方案。虽然编码的非幺正动力学反过来又降低了量子资源，但我们意外地发现了一种机制，使编码时间成为提高精度的资源，并使传感器的压缩成为超越散粒噪声限制的资源。我们的结果表明，这是由于传感器库的束缚态的形成。该方案丰富了量子传感的研究领域，为量子库的测量提供了一种有效的方法，并为退相干控制提供了有力的支持。
2021-01-31 quant-ph
Environment-assisted quantum-enhanced sensing with electronic spins in diamond
基于电子自旋缺陷的固态量子传感器的性能通常受到环境自旋杂质的限制，这些杂质会导致退相干。改进这些量子传感器的一个有前途的方法是将环境自旋转换为有用的传感资源。在这里，我们证明了一个未知的电子自旋缺陷附近的氮空位中心的金刚石作为量子传感器和量子存储器的有效利用。我们首先实验评估的改善磁场传感提供的两个电子自旋的混合纠缠态。我们的研究结果严格强调了增加自旋传感器数量的预期优势与增加控制误差，退相干率和时间开销相关的典型挑战之间的权衡。尽管如此，通过利用自旋缺陷作为量子传感器和量子存储器，其状态可以被重复测量以提高读出保真度，我们可以实现比使用单自旋传感器的性能增益。这些结果表明，有效地利用可用的量子资源可以增强量子器件，指出了一种实用的策略，通过利用环境自旋缺陷实现量子增强传感和信息处理。
2018-11-23 quant-ph
Quantum Cramer-Rao Precision Limit of Noisy Continuous Sensing
Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学合肥国家实验室）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences and CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学上海量子科学研究中心及中科院量子信息与量子物理卓越创新中心）；Institut für Theoretische Physik and IQST, Universität Ulm（乌尔姆大学理论物理研究所和IQST）；Department of Physics, Indian Institute of Technology (BHU), Varanasi（瓦拉纳西印度理工学院（贝拿勒斯）物理系）
本文提出一种高效方法，用于确定受一般环境噪声影响的连续监测量子传感器的量子CRAMER-RAO界限，适用于马克诺维奇或非马克诺维奇环境，并展示了其在连续监测量子传感器范式模型中的应用。
2026-04-12 quant-ph
Sensing remote nuclear spins
感测单个核自旋是基于磁共振的成像技术中的中心挑战。尽管不同的方法，特别是基于金刚石缺陷的传感和成像技术在原理上已经显示出足够的灵敏度，但来自单个核自旋的信号通常太弱而不能与背景噪声区分开。在这里，我们提出了远程单C-13核自旋嵌入在核自旋浴周围的氮空位中心的单电子自旋在金刚石的检测和识别。通过对中心电子自旋的动力学解耦控制，来自位于中心~3 nm处的单个核自旋的~10 nT的弱磁场被放大和检测，其中超精细耦合弱至~500 Hz。证实了耦合的量子性质，并确定了核场的精确位置和矢量分量。考虑到核磁场可以被检测到的距离，该技术标志着朝着在金刚石传感器外部成像、检测和控制核自旋物质迈出了坚实的一步。
2012-04-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Correlated sensing with a solid-state quantum multi-sensor system for atomic-scale structural analysis
本文提出一种利用多量子传感器间信号关联的新型传感范式，通过三个氮-空位中心构成的量子静电计系统，实现了对金刚石中16个暗电子点缺陷的三维高精度定位及实时电荷动力学可视化，扩展了量子传感工具箱。
2024-01-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
A Machine-Designed Sensor to Make Optimal Use of Entanglement-Generating Dynamics for Quantum Sensing
我们使用机器优化来开发一个量子传感方案，该方案在相同的量子资源下实现了比传统方案更好的灵敏度。利用单轴扭转动力学产生量子纠缠，我们发现，而不是划分为单独的“状态准备”和“审问”阶段的时间资源，一个复杂的机器设计的旋转序列允许产生计量有用的纠缠，而参数被审问。与通过传统的单轴扭转方案生成的状态相比，这在给定的总时间内提供了高得多的灵敏度。这种方法可以应用于产生量子增强态的其他方法，从而使原子钟、磁力计和惯性传感器具有更高的灵敏度。
2020-02-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Sensing distant nuclear spins with a single electron spin
我们实验证明了使用一个单一的电子自旋来测量从周围的自旋浴内遥远的个人核自旋的量子动力学。我们的技术利用电子自旋的相干控制，使我们能够隔离和监测弱耦合到电子自旋的核自旋。具体来说，我们检测到的进化遥远的个人碳-13核自旋耦合到单氮空位中心的金刚石晶格与超精细耦合下降到一个因素的8以下的电子自旋裸退相速率。潜在的应用纳米磁共振成像和量子信息处理进行了讨论。
2012-05-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-Optical Nuclear Quantum Sensing using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
针对现有量子传感依赖微波/射频驱动的局限，提出基于金刚石NV中心¹⁵N核自旋的全光相干量子传感方案，利用激发态能级反交叉附近的自旋动力学实现核自旋泵浦，在单自旋和系综上演示了低频传感核心的自由感应衰减测量，推动紧凑量子传感器在苛刻环境的应用。
2022-12-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Precision ultrasound sensing on a chip
超声波传感器在科学和技术领域有着广泛的应用。然而，需要提高灵敏度，以用于增强和增加空间分辨率。在这里，我们介绍了腔光学机械超声传感，其中双重光学和机械谐振增强超声信号。我们实现了8- 300 $μ$ Pa/ $\sqrt{\rm Hz}$在千赫到兆赫频率的微型硅芯片为基础的传感器与$>$ 120 dB的动态范围的噪声等效压力。灵敏度远远超过单独使用光学谐振的类似传感器，并且归一化到感测区域，超过先前的空气耦合超声波传感器几个数量级。本底噪声第一次由声波在其中传播的气体中的分子的碰撞主导。这种新的声学传感方法可以应用于从生物医学诊断到自主导航，痕量气体传感和单细胞生命诱导振动的科学探索。
2018-10-08 physics.app-ph quant-ph
Distributed Quantum Sensing
大量的应用依赖于网络或传感器阵列来承担测量任务。用于感测的经验法则是，由$M$独立传感器进行的集体测量可以将灵敏度提高$1/\sqrt{M}$，称为标准量子极限（SQL）。量子资源，如纠缠和压缩光，可以用来超越SQL。分布式量子传感是一门新兴的学科，致力于研究多个传感器共享纠缠态在解决不同测量问题时所带来的性能增益。这篇综述从量子信息的角度阐述了分布式量子传感，并描述了分布式量子传感协议及其实验演示。分布式量子传感的应用和未来机会的前景也将被讨论。
2020-10-29 physics.optics quant-ph
Complex 3-Dimensional Microscale Structures for Quantum Sensing Applications
提出基于双光子聚合制备含NV中心三维微结构的方法，实现亚微米分辨率和大视场，用于微尺度温度与磁场的高灵敏度光学传感。
2023-07-27 physics.app-ph quant-ph
Quantum-Enhanced Plasmonic Sensing
量子资源可以提高设备的灵敏度，使其超过经典散粒噪声极限，因此，通过开发量子增强传感器，彻底改变了计量领域。特别地，广泛用于生物和化学传感应用的等离子体传感器提供了将这种增强带到现实生活设备的独特机会。在这里，我们使用明亮的纠缠双光束来提高用于测量局部折射率变化的等离子体传感器的灵敏度。我们证明了最先进的等离子体传感器的灵敏度的56%的量子增强，测量的灵敏度在$10^{-10}$ RIU $/\sqrt{\textrm{Hz}}$的数量级上，比量子增强等离子体传感器的先前的原理验证实施方式好近5个数量级。这些结果有望显着增强超痕量标记自由等离子体传感，并将找到他们的方式进入从生物医学应用到化学检测等领域。
2018-02-01 physics.optics quant-ph
Determination of the Position of a Single Nuclear Spin from Free Nuclear Precessions Detected by a Solid-State Quantum Sensor
我们报告了一种纳米级量子传感协议，该协议跟踪单个核自旋的自由旋进，并能够估计目标核的方位角--标准多脉冲协议无法确定的参数。我们的协议结合了脉冲动态核极化，相位控制的射频脉冲，和多脉冲交流传感序列与修改后的读出脉冲。使用一个单一的氮空位中心作为固态量子传感器，我们在实验上证明了该协议的一个单一的13 C核自旋在金刚石和唯一确定的晶格位置的目标核。我们的结果为单分子水平的磁共振成像铺平了道路。
2018-06-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dephasing in an Aharonov-Bohm interferometer containing a lateral double quantum dot induced by coupling with a quantum dot charge sensor
从理论上研究了含有横向双量子点的Aharonov-Bohm干涉仪与量子点电荷传感器耦合时产生的退相现象。我们采用插值的二阶微扰理论，包括电荷感应库仑相互作用。结果表明，线性电导的Aharonov-Bohm振荡的可见性随着感测库仑相互作用的增加而单调减小。特别地，对于弱感测相互作用机制，可见度呈抛物线下降，并且对于强感测相互作用机制，可见度呈线性下降。
2010-05-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Sensing of Intermittent Stochastic Signals
现实的量子传感器面临着并行测量的传感器数量与整个系综的控制和读出保真度（$F$）之间的权衡。我们研究了传感器的数量和保真度如何影响连续和间歇信号的灵敏度。对于连续信号，我们发现，增加传感器的数量为$F<1$的$1/F^2$总是恢复时达到的灵敏度$F=1$。然而，当信号是间歇性的时，需要更多的传感器来恢复用一个完美的量子传感器可实现的灵敏度。我们还证明了近统一的控制保真度和读出的量子投影噪声限制的重要性，通过估计一个随机的，间歇性的信号与一个单一的捕获离子传感器的频率分量。量子传感在历史上集中于远离标准量子极限操作的传感器的大集合。在这份手稿中提出的结果表明，这是不够的量子传感的间歇性信号，并再次强调了独特的缩放的量子投影噪声附近的本征态的重要性。
2021-01-14 physics.app-ph physics.atom-ph quant-ph
Quantum sensing of a coherent single spin excitation in a nuclear ensemble
在相干相互作用物体的集合中测量单个量子在涌现量子现象的研究中是变革性的。一个孤立的核自旋系综是一个显着的平台，由于其一致性，但检测其单自旋激发仍然是难以捉摸的。在这里，我们使用半导体量子点中的电子自旋量子比特，通过28 GHz量子比特频率上的200 kHz超精细位移，以1.9 ppm的精度感测单个核自旋激发（核磁振子）。我们证明了这种单磁振子精度在多种模式确定的核物种和极性。最后，我们监测的相干动力学的核磁振子和量子相关的出现，对抗退相干。这项工作的直接延伸是探测包括长寿命记忆态在内的系综的工程量子态。
2020-08-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
CMOS-Integrated Diamond Nitrogen-Vacancy Quantum Sensor
金刚石中的氮空位（NV）中心已经成为一种领先的固态量子传感器，用于包括磁力测量，电学测量，温度测量和化学传感在内的应用。然而，对于实际应用的突出挑战是，现有的基于NV的感测技术需要用于自旋控制和检测的庞大且分立的仪器。在这里，我们解决这个挑战，通过集成NV为基础的量子传感与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。通过量身定制的CMOS集成微波发生和光电探测，这项工作大大减少了量子磁力测量和温度测量的仪器足迹。这种混合金刚石-CMOS集成实现了用于量子传感和量子信息处理的超紧凑和可扩展平台。
2018-10-02 physics.app-ph quant-ph
Optimal and Variational Multi-Parameter Quantum Metrology and Vector Field Sensing
本文在 SU(2) Bayesian 框架下研究多参数矢量场传感，给出最优 N 原子传感器极限，并用变分量子电路在有限纠缠平台上近似实现高性能传感器。
2023-02-15 physics.atom-ph quant-ph
Gravitational sensing with weak value based optical sensors
利用弱值放大角分辨率极限，从理论上研究了物体的引力传感。通过将力感测摆插入到弱值干涉仪中，光学响应可以感测到几十个$\mathrm{zepto}\text{-}\mathrm{g}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$的加速度，光功率为$1~\mathrm{mW}$。我们将这种精度转换为范围和质量的灵敏度，重点放在简单和扭转摆的细节。讨论了各种噪声源，以及必要的冷却，应适用于达到所需的精度水平。
2018-11-17 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Nuclear Spin Assisted Magnetic Field Angle Sensing
量子传感利用量子系统的强灵敏度来测量小的外部信号。金刚石中的氮空位（NV）中心是现实世界量子传感应用中最有前途的平台之一，主要用作磁力计。然而，当偏置磁场垂直于NV轴作用时，其磁场灵敏度消失。在这里，我们介绍了一种新的传感策略的辅助下，氮核自旋，利用电子和核自旋之间的纠缠，以恢复磁场灵敏度。这反过来又使我们能够检测相对于NV轴的磁场角度的微小变化。此外，基于相同的基本原理，我们表明，NV耦合强度的磁噪声，因此其相干时间，表现出很强的非对称角度依赖性。这使我们能够揭示局部磁环境的方向特性，并实现与各向异性噪声的最大解耦。
2020-10-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Nanoscale Sensing Using Point Defects in Single-Crystal Diamond: Recent Progress on Nitrogen Vacancy Center-Based Sensors
固体中的单个发光点缺陷，即所谓的色心，是原子大小的量子系统，能够以纳米级的空间分辨率进行传感和成像。在这篇综述中，我们介绍了纳米级传感的基础上个别氮空位（NV）中心的钻石。我们讨论了该领域的两个主要挑战：第一，在单晶金刚石表面以下小于10 nm的高度相干的浅NV中心的创建。第二，尖端状光子纳米结构的制造，使有效的荧光收集，并可用于扫描探针成像的基础上的色心与纳米级的分辨率。
2017-05-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Quantum hybrid optomechanical inertial sensing
本文讨论了将光机械惯性传感器与冷原子干涉仪的后向反射器相结合的量子混合惯性传感器的设计。这种传感器融合方法提供了绝对和高精度的测量与冷原子干涉仪，同时利用光机械惯性传感器在原子干涉仪的重复频率以上的频率。这提高了这些系统的整体测量带宽以及鲁棒性和现场部署能力。我们评估哪些参数产生最佳的加速度灵敏度，从中我们预计从DC到1 kHz的纳g水平的噪声基底。
2020-05-18 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
