2019 Fiscal Year Annual Research Report
ダイヤモンド量子センサーを用いたハイゼンベルグ限界感度における核スピン検出
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19H02547
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
伊藤 公平 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30276414)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子センシング / ダイヤモンド中窒素空孔欠陥 / 核磁気共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、究極の物質解析手法である単一分子イメージングを目指し、機械学習やフィードバック制御をダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心センサーの計測に実装する。核スピン検知において目覚ましい感度を示すNVセンサーの感度を、真の量子センサーで期待されるハイゼンベルグ限界のスケーリングに引き上げることを目指す。このために、本年度は磁気計測用フィードバック制御を行う理論検証とFPGAの開発を行った。
理論面では、高コントラストな射影測定無しで高感度スケーリングを達成する方法、MFL法[PRX 9, 021019 (2019)]という新方式をベースとして開発を行った。交流磁場計測にも拡張したMFL法を開発し、周波数、強度、位相の三つを学習する数値シミュレーションに成功した。その過程で直流MFL法による古典限界を超えた感度スケーリングの再現、ベイズ推定の為の尤度関数の理論導出、パーティクルフィルタ法の実装などを行った。FPGA面では、一般的なNV中心による磁場計測で必要なフォトルミネッセンスマッピング、光学的検知磁気共鳴、ラビ振動などを統一的に実験で取得することに成功した。その過程でFPGAハードウェア、FPGAに直結したCPU上のソフトウェア、DA変換器などの周辺機器を自作した。
また、NV中心の評価、FPGAの動作確認、ダイヤモンドに付着させた標的分子の探索に用いるために、単一NV中心による単一核スピン検知が可能なテーブルトップ型装置を開発した[D. Misonou AIP Advances 10, 025206 (2020)]。その他、NV中心を構成する2つの電子スピンが揃った状態を精密に制御するプロトコルによって極少数のプロトンの検知に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ベイズ推定とフィードバック制御を行う最新のMFL法を交流磁場用に拡張したことに加え、統一的なNV計測が可能なFPGAの開発も完了し、この本研究の核となるツールが揃った為。この技術を統合し、FPGA用に洗練することで核スピン検知のハイゼンベルグ限界感度を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築したベイズ推定の効果を確かめるために、フィードバック無しで取得した交流磁場計測をベイズ推定により再解析し、従来用いられるフーリエ変換法と、感度や分解能といった点で比較する。開発したベイズ推定とフィードバック制御法とFPGAを組み合わせて直流磁場や交流磁場計測を行うことで、MFL法による高感度スケーリングを実験的に検証する。最終的に感度のボトルネックとなり得る計算時間とフィードバックパラメータ(パルス照射時間やパルス位相)の分解能をそれぞれ短縮、向上するために、初年度よりも高性能なFPGAを導入する。
初年度行う予定だった、高磁場印加や高コントラスト読み出しに関しては引き続き立ち上げを継続する。MFL法によって高感度スケールには必須の設備ではなくなったが、核スピンへの計測反作用を検知するには有用なツールである。今年度終わりまでの立ち上げを目指す。同様に、魅力的な計測対象である少数プロトンを検知可能な単一NV中心を得たために、AFMプローブを使用した標的核スピンの配置法については重要度が下がった。発見した少数プロトンと単一NVセンサーを詳しく評価し、最終的な核スピン計測プロトコル検証での使用を試みる。
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Research Products
(2 results)
