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量子物理

arXiv:2506.21389 (quant-ph)
[提交于 2025年6月26日 ]

标题: 不同磁极之间的运动可以将磁感应精度推向量子极限

标题: Interradical motion can push magnetosensing precision towards quantum limits

Authors:Luke D. Smith, Farhan T. Chowdhury, Jonas Glatthard, Daniel R. Kattnig
摘要: 磁敏自旋关联自由基对(SCRPs)为抗噪声的量子计量提供了有前景的平台。然而,不可避免的分子间相互作用,如电子-电子偶极和交换耦合,以及源自固有自由基运动的有害扰动,通常会降低其作为磁强计的潜力。与此相反,我们展示了在隐花色素中的活体化学传感器中,结构化的分子运动如何调节分子间相互作用,实际上可以提高灵敏度,并且更进一步地将估计磁场方向的精度推向量子Cramér-Rao界限,表明接近最优的计量性能。值得注意的是,这种达到最优的方法在环境噪声下被放大,并随着自旋系统的复杂性增加而持续存在,表明此类自然系统固有的扰动使它们能够更接近量子极限运行,从而更有效地从微弱的地磁场中提取信息。这一见解为利用运动诱导的电子自旋-自旋相互作用的基本物理原理,设计高效的方法来控制新兴分子量子信息技术提供了可能性。
摘要: Magnetosensitive spin-correlated radical-pairs (SCRPs) offer a promising platform for noise-robust quantum metrology. However, unavoidable interradical interactions, such as electron-electron dipolar and exchange couplings, alongside deleterious perturbations resulting from intrinsic radical motion, typically degrade their potential as magnetometers. In contrast to this, we show how structured molecular motion modulating interradical interactions in a live chemical sensor in cryptochrome can, in fact, increase sensitivity and, more so, push precision in estimating magnetic field directions closer to the quantum Cram\'{e}r-Rao bound, suggesting near-optimal metrological performance. Remarkably, this approach to optimality is amplified under environmental noise and persists with increasing complexity of the spin system, suggesting that perturbations inherent to such natural systems have enabled them to operate closer to the quantum limit to more effectively extract information from the weak geomagnetic field. This insight opens the possibility of channeling the underlying physical principles of motion-induced modulation of electron spin-spin interactions towards devising efficient handles over emerging molecular quantum information technologies.
评论: 8页正文 + 2页附录,4幅图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 软凝聚态物理 (cond-mat.soft); 化学物理 (physics.chem-ph)
引用方式: arXiv:2506.21389 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2506.21389v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.21389
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Farhan Tanvir Chowdhury [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 6 月 26 日 15:38:56 UTC (4,306 KB)
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