Solid-state quantum sensors based on ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have emerged as powerful platforms for high-precision metrology. Coupling the NV ensemble to a microwave cavity mode in a cavity quantum electrodynamics (cQED) configuration enables spin readout that surpasses the limitations of conventional optical detection, achieving sub-picotesla magnetic sensitivities. However, existing continuous-wave cQED approaches remain far from the intrinsic spin-projection-noise limit due to spin saturation and power broadening. Here, we introduce a dispersive cQED readout technique to overcome these fundamental limitations in NV ensemble sensing. We develop a comprehensive theoretical framework describing the dispersive interaction and analyze the time-domain dynamics of a strongly-coupled NV-cavity system. Our results indicate near-unity inverse readout fidelity and femtotesla-level sensitivity using a commercially available diamond NV ensemble. Importantly, the dispersive readout exhibits a distinct sensitivity scaling that improves as 1/N with increasing number of spins N, providing a practical pathway toward approaching the standard quantum limit for solid-state spin-ensemble sensors.
Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit
National Chung Hsing University（中兴大学）；Feng Chia University（逢甲大学）；Research Center for Critical Issues, Academia Sinica（中央研究院关键问题研究中心）；National Changhua University of Education（国立彰化师范大学）
A three-dimensional multimode lumped-element resonator for collective spin manipulation and dispersive readout
Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale and School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学物理科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心）；Shanghai Research Center for Quantum Science 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、上海量子科学研究与探索中心、中国科学院量子信息与量子物理学前沿卓越创新中心）
Squeezing for dispersive readout of NV magnetometer
Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理工程技术学院）；P.N.Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Science（俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所）；LLC Sensor Spin Technologies（传感器自旋技术有限责任公司）
Dispersive readout with two orthogonal modes of a dielectric cavity
Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理技术学院）；P.N. Lebedev Institute RAS（列别捷夫物理研究所）；LLC Sensor Spin Technologies（传感器自旋技术有限公司）；National Research Nuclear University “MEPhI”（国立研究核子大学“莫斯科工程物理学院”）；LLC Velman（韦尔曼有限公司）；B.I. Stepanov Institute of Physics NASB（白俄罗斯国家科学院B.I.斯特潘诺夫物理研究所）
开放量子系统可以经历耗散相变，并且它们的临界行为可以在传感应用中被利用。例如，它可以用于增强超导量子比特读出测量的保真度，这是创建可靠量子硬件的核心问题。最近引入的测量协议，称为"临界参数量子传感“，使用参数（双光子驱动）克尔谐振器的驱动耗散相变，以达到99.9\%的单量子位检测保真度[arXiv：2107.04503]。在这项工作中，我们通过使用基于机器学习的分类算法来改进以前的协议，以\textit{efficiently and rapidly}从这个关键的动态中提取信息，到目前为止，这一直被忽视，只关注静态属性。这些分类算法被施加到弱量子测量（零差检测）的电路QED实现耦合到超导量子比特的克尔谐振器的时间序列数据。这展示了机器学习方法如何在关键的开放量子系统中实现更快、更可靠的测量协议。
A comparison of different master equations for driven-dissipative dynamics in composite quantum systems: Dispersive readout in structured electromagnetic environments
Sorbonne Université（索邦大学）；Institut des NanoSciences de Paris（巴黎纳米科学研究所）；LPENS, Département de Physique, École Normale Supérieure, Centre Automatique et Systèmes (CAS), MINES ParisTech, Université PSL, Sorbonne Université, CNRS, Inria（物理与能源环境研究实验室，巴黎高等师范学院，自动系统与中央研究院，国立巴黎高等矿业学校，巴黎文理研究大学，索邦大学，法国国家科学研究中心，法国国家信息与自动化研究所）；CNRS（法国国家科学研究中心）
Ideal Quantum Nondemolition Readout of a Flux Qubit Without Purcell Limitations
在量子计算中，基于Rabi模型的大失谐色散耦合被广泛用于量子非破坏（QND）量子比特读出。然而，测量速度和保真度通常受到Purcell效应的显著限制，即：Purcell衰变，临界光子数和依赖于量子位的克尔非线性。为了避免这些影响，我们提出了如何实现一个理想的QND读出的梯度通量量子比特与可调间隙通过其非微扰色散耦合（NPDC）的频率可调测量谐振器。我们表明，这种基于NPDC的读出机制是免费的偶极场相互作用，量子比特QND测量不恶化腔内光子。量子位读出速度和保真度都可以\emph{avoid the Purcell limitations}。此外，NPDC可以方便地打开和关闭通过外部控制通量。我们将展示如何将此建议扩展到多量子位架构的联合量子位读出。
Qubit Readout via State-Dependent Radiative Linewidths
Fujian Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Optics, College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University（福州大学物理与信息工程学院）；Center for Joint Quantum Studies and Department of Physics, School of Science, Tianjin University（天津大学理学院物理学系）；Quantum Information Physics Theory Research Team, Center for Quantum Computing, RIKEN（理学研究院量子计算中心量子信息物理理论课题组）；Department of Physics, University of Michigan（密歇根大学物理系）
Time-dependent Schrieffer-Wolff-Lindblad Perturbation Theory: measurement-induced dephasing and second-order Stark shift in dispersive readout
我们发展了一个含时的Schriff-Wolff-Lindblad微扰理论来研究受驱动的开放量子系统的有效相互作用。我们的分析的出发点是一个给定的林德布拉德方程，基于此，我们得到一个有效的（平均）的地图，描述了由于驱动器的哈密顿量和崩溃运营商的重整化。作为一个案例研究，我们将这种方法应用到色散读出的transmon量子比特，并推导出一个有效的disperive地图，描述测量引起的退相和斯塔克位移的transmon。我们得到的有效映射是完全正的，并且在绝热谐振腔响应下是保迹的。基准我们的方法，我们表现出良好的协议，通过Lindbladian频谱的有效率的数值计算。我们的结果也与Gambetta等人（Phys. Rev. A 74，042318（2006））使用谐振器场的正P表示对这种效应的早期推导一致，并在此基础上进行了扩展。
