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量子物理

arXiv:2507.18759 (quant-ph)
[提交于 2025年7月24日 ]

标题: 氮空位中心的数字孪生仿真工具箱

标题: Digital Twin Simulations Toolbox of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond

Authors:Lucas Tsunaki, Anmol Singh, Sergei Trofimov, Boris Naydenov
摘要: 色心缺陷在固体中,特别是金刚石中的氮空位(NV)中心,是量子技术应用的关键物理平台。因此,对NV系统的精确和严格的数值建模对于该领域的持续进步是必不可少的。在此背景下,本工作开发了一个Python软件,用于在一般实验条件下模拟脉冲序列中的NV自旋动力学,即数字孪生。该库考虑了电磁脉冲和其他环境输入,这些用于求解系统的时变动力学,从而以量子力学可观测量的形式给出物理输出,即荧光。模拟框架基于非微扰的时间依赖哈密顿量模型,在实验室框架中求解。通过消除诸如瞬时$\delta$脉冲假设和旋转波近似等过度简化的假设,我们的模拟揭示了现实脉冲约束带来的细微动力学,这些动力学影响量子系统。三个用例示例说明了该软件的使用,并通过将模拟结果与已建立的实验工作进行比较来验证它,这些工作涉及量子计算(两量子比特条件逻辑门)、传感(NV与耦合自旋之间的抗噪声动态解耦序列)和网络(纠缠NV之间的量子态传送)。总体而言,这个数字孪生提供了NV自旋动力学的稳健且详细的数值建模,具有简单易用的特点,适用于广泛的应用范围。
摘要: Color centers defects in solids, and particularly the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, are crucial physical platforms for quantum technology applications. Therefore, a precise and rigorous numerical modeling of the NV system is indispensable for the continued advancement of the field. Within this context, this work develops a Python software for simulating the NV spin dynamics in pulsed sequences under general experimental conditions, i.e. a digital twin. The library accounts for electromagnetic pulses and other environmental inputs, which are used to solve the system's time-evolution dynamics, resulting in a physical output in the form of a quantum mechanical observable given by the fluorescence. The simulations framework is based on a non-perturbative time-dependent Hamiltonian model, solved in the laboratory frame. Whereby eliminating oversimplifications such as the assumption of instantaneous $\delta$-pulses and rotating wave approximations, our simulations reveal subtle dynamics from the realistic pulse constraints that impact quantum systems. Three use-case examples illustrate the use of the software and validate it by comparing the simulation results with well-established experimental works, relevant to the fields of quantum computing (two-qubit conditional logic gates), sensing (noise resilient dynamical decoupling sequences between NV and couples spins) and networks (teleportation of a quantum state between entangled NVs). Overall, this digital twin delivers a robust and detailed numerical modeling of the NV spin dynamics, with simple and accessible usability, for an extensive application range.
评论: 20页,7图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 其他凝聚态物理 (cond-mat.other)
引用方式: arXiv:2507.18759 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2507.18759v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.18759
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Lucas Tsunaki [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 24 日 19:22:23 UTC (197 KB)
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