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量子センシング：量子エンタングルメントを資源として用いた多キュービット・ナノスケール・センシング
Nature 647, 8091 doi: 10.1038/s41586-025-09760-y
ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心は、時間平均された磁場と雑音の両方を、単一キュービット制御を用いてナノスケールの空間分解能で測定する局所磁気センサーとして広く展開されている。単一キュービットから多キュービット制御への移行によって、非局所的な時空間相関関数の測定や、エンタングル状態を用いた測定感度の増強など、新たなセンシング手法が可能となる。今回我々は、光学的に分解されないNV中心対と核スピンを多キュービットセンサーとして使用して、ナノメートルの長さスケールで相関雑音を測定するプロトコルを報告する。我々は、相互作用していないNV中心について、磁気相関を分散ゆらぎと明確に区別する位相サイクリングのプロトコルを実装し、第三のキュービットである13C核の存在を利用して単一NVスピンのコヒーレント反転を実現し、スペクトル的に分解できない共線NV中心でも位相サイクリングを可能にした。我々は、エンタングルしていないNV中心の個々の測定から相関を再構築するのではなく、約10 nmの長さスケールで、2つのNV中心間の双極子–双極子結合を通じて最大限エンタングルしたベル状態を生成し、これらのエンタングル状態を使用して磁場相関を直接読み出した。重要なことに、これによって、読み出し雑音に対する感度のスケーリングが二次から一次に変化する。NV中心スピン状態の従来の非共鳴読み出し（読み出し雑音は量子射影限界の約30倍になる）に対して、今回の方法では、感度が1桁以上向上した。さらに我々は、強く相互作用するNV中心の対を用いた高い空間時間分解能の相関関数を検出する方法を実証する。
