The Ramsey sequence is a canonical example of a quantum phase measurement for a spin qubit. In Ramsey measurements, the measurement efficiency can be optimized through careful selection of settings for the phase accumulation time setting, τ. This paper implements a sequential Bayesian experiment design protocol in low-fidelity Ramsey measurements, and its performance is compared to a previously reported adaptive heuristic protocol, a quantum phase estimation algorithm, and random setting choices. A workflow allowing measurements and design calculations to run concurrently largely eliminates computation time from measurement overhead. When precession frequency is the lone parameter to estimate, the Bayesian design is faster by factors of roughly 2, 4, and 5 relative to the adaptive heuristic, random τ choices, and the quantum phase estimation algorithm, respectively. When four parameters are to be determined, Bayesian experiment design and random τ choices can converge to roughly equivalent sensitivity, but the Bayesian method converges four times faster.

1.
B. M.
Chernobrod
and
G. P.
Berman
,
J. Appl. Phys.
97
,
014903
(
2005
).
2.
G.
Balasubramanian
,
I. Y.
Chan
,
R.
Kolesov
,
M.
Al-Hmoud
,
J.
Tisler
,
C.
Shin
,
C.
Kim
,
A.
Wojcik
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Krueger
,
T.
Hanke
,
A.
Leitenstorfer
,
R.
Bratschitsch
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature
455
,
648
(
2008
).
3.
J. R.
Maze
,
P. L.
Stanwix
,
J. S.
Hodges
,
S.
Hong
,
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Jiang
,
M. V. G.
Dutt
,
E.
Togan
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacoby
,
R. L.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
455
,
644
(
2008
).
4.
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
D.
Budker
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Yacoby
,
R.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nat. Phys.
4
,
810
(
2008
).
5.
L.
Rondin
,
J.-P.
Tetienne
,
T.
Hingant
,
J.-F.
Roch
,
P.
Maletinsky
, and
V.
Jacques
,
Rep. Prog. Phys.
77
,
056503
(
2014
).
6.
T.
Hingant
,
J.-P.
Tetienne
,
L. J.
Martínez
,
K.
Garcia
,
D.
Ravelosona
,
J.-F.
Roch
, and
V.
Jacques
,
Phys. Rev. Appl.
4
,
014003
(
2015
).
7.
T.
van der Sar
,
F.
Casola
,
R.
Walsworth
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Commun.
6
,
7886
(
2015
).
8.
J.-P.
Tetienne
,
T.
Hingant
,
J.-V.
Kim
,
L. H.
Diez
,
J.-P.
Adam
,
K.
Garcia
,
J.-F.
Roch
,
S.
Rohart
,
A.
Thiaville
,
D.
Ravelosona
, and
V.
Jacques
,
Science
344
,
1366
(
2014
).
9.
J.-P.
Tetienne
,
N.
Dontschuk
,
D. A.
Broadway
,
A.
Stacey
,
D. A.
Simpson
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Sci. Adv.
3
,
e1602429
(
2017
).
10.
L.
Rondin
,
J. P.
Tetienne
,
S.
Rohart
,
A.
Thiaville
,
T.
Hingant
,
P.
Spinicelli
,
J. F.
Roch
, and
V.
Jacques
,
Nat. Commun.
4
,
1484
(
2013
).
11.
M. J.
Turner
,
N.
Langellier
,
R.
Bainbridge
,
D.
Walters
,
S.
Meesala
,
T. M.
Babinec
,
P.
Kehayias
,
A.
Yacoby
,
E.
Hu
,
M.
Lončar
,
R. L.
Walsworth
, and
E. V.
Levine
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
014097
(
2020
).
12.
A.
Horsley
,
P.
Appel
,
J.
Wolters
,
J.
Achard
,
A.
Tallaire
,
P.
Maletinsky
, and
P.
Treutlein
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
044039
(
2018
).
13.
P.
Appel
,
M.
Ganzhorn
,
E.
Neu
, and
P.
Maletinsky
,
New J. Phys.
17
,
112001
(
2015
).
14.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
15.
L. P.
McGuinness
,
Y.
Yan
,
A.
Stacey
,
D. A.
Simpson
,
L. T.
Hall
,
D.
Maclaurin
,
S.
Prawer
,
P.
Mulvaney
,
J.
Wrachtrup
,
F.
Caruso
,
R. E.
Scholten
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
358
(
2011
).
16.
J. M.
McCoey
,
M.
Matsuoka
,
R. W.
Gille
,
L. T.
Hall
,
J. A.
Shaw
,
J.
Tetienne
,
D.
Kisailus
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
D. A.
Simpson
,
Small Methods
4
,
1900754
(
2020
).
17.
F. C.
Ziem
,
N. S.
Götz
,
A.
Zappe
,
S.
Steinert
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
13
,
4093
(
2013
).
18.
A.
Ermakova
,
G.
Pramanik
,
J.-M.
Cai
,
G.
Algara-Siller
,
U.
Kaiser
,
T.
Weil
,
Y.-K.
Tzeng
,
H. C.
Chang
,
L. P.
McGuinness
,
M. B.
Plenio
,
B.
Naydenov
, and
F.
Jelezko
,
Nano Lett.
13
,
3305
(
2013
).
19.
J. F.
Barry
,
M. J.
Turner
,
J. M.
Schloss
,
D. R.
Glenn
,
Y.
Song
,
M. D.
Lukin
,
H.
Park
, and
R. L.
Walsworth
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
14133
(
2016
).
20.
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
I.
Lovchinsky
,
A. O.
Sushkov
,
N.
Bar-Gill
,
C.
Belthangady
,
F.
Casola
,
M.
Corbett
,
H.
Zhang
,
M.
Lukin
,
H.
Park
,
A.
Yacoby
, and
R. L.
Walsworth
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
129
(
2015
).
21.
D.
Rugar
,
H. J.
Mamin
,
M. H.
Sherwood
,
M.
Kim
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
120
(
2014
).
22.
T.
Häberle
,
D.
Schmid-Lorch
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
125
(
2015
).
23.
H. J.
Mamin
,
M.
Kim
,
M. H.
Sherwood
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Science
339
,
557
(
2013
).
24.
V. P.
Bhallamudi
and
P. C.
Hammel
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
104
(
2015
).
25.
T.
Staudacher
,
F.
Shi
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
J.
Du
,
C. A.
Meriles
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
339
,
561
(
2013
).
26.
K. D.
Jahnke
,
B.
Naydenov
,
T.
Teraji
,
S.
Koizumi
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
, and
F.
Jelezko
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
012405
(
2012
).
27.
G.
Balasubramanian
,
P.
Neumann
,
D.
Twitchen
,
M.
Markham
,
R.
Kolesov
,
N.
Mizuochi
,
J.
Isoya
,
J.
Achard
,
J.
Beck
,
J.
Tissler
,
V.
Jacques
,
P. R.
Hemmer
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
8
,
383
(
2009
).
28.
J. P.
Hadden
,
J. P.
Harrison
,
A. C.
Stanley-Clarke
,
L.
Marseglia
,
Y.-L. D.
Ho
,
B. R.
Patton
,
J. L.
O’Brien
, and
J. G.
Rarity
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
241901
(
2010
).
29.
K.
Jensen
,
N.
Leefer
,
A.
Jarmola
,
Y.
Dumeige
,
V.
Acosta
,
P.
Kehayias
,
B.
Patton
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
160802
(
2014
).
30.
J.
Riedrich-Möller
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
C.
Pauly
,
F.
Mücklich
,
M.
Markham
,
A. M.
Edmonds
, and
C.
Becher
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
221103
(
2015
).
31.
T. M.
Babinec
,
B. J. M.
Hausmann
,
M.
Khan
,
Y.
Zhang
,
J. R.
Maze
,
P. R.
Hemmer
, and
M.
Lončar
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
195
(
2010
).
32.
P.
Maletinsky
,
S.
Hong
,
M. S.
Grinolds
,
B.
Hausmann
,
M. D.
Lukin
,
R. L.
Walsworth
,
M.
Loncar
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
320
(
2012
).
33.
M.
Pelliccione
,
A.
Jenkins
,
P.
Ovartchaiyapong
,
C.
Reetz
,
E.
Emmanouilidou
,
N.
Ni
, and
A. C.
Bleszynski Jayich
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
700
(
2016
).
34.
H. T.
Dinani
,
D. W.
Berry
,
R.
Gonzalez
,
J. R.
Maze
, and
C.
Bonato
,
Phys. Rev. B
99
,
125413
(
2019
).
35.
G.
Waldherr
,
P.
Neumann
,
S. F.
Huelga
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
090401
(
2011
).
36.
N.
Aslam
,
G.
Waldherr
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
New J. Phys.
15
,
013064
(
2013
).
37.
B.
Shields
,
Q.
Unterreithmeier
,
N.
de Leon
,
H.
Park
, and
M.
Lukin
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
136402
(
2015
).
38.
D.
Bluvstein
,
Z.
Zhang
, and
A. C. B.
Jayich
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
076101
(
2019
).
39.
J.-C.
Jaskula
,
B.
Shields
,
E.
Bauch
,
M.
Lukin
,
A.
Trifonov
, and
R.
Walsworth
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
064003
(
2019
).
40.
L.
Hacquebard
and
L.
Childress
,
Phys. Rev. A
97
,
063408
(
2018
).
41.
D. A.
Hopper
,
R. R.
Grote
,
A. L.
Exarhos
, and
L. C.
Bassett
,
Phys. Rev. B
94
,
241201
(
2016
).
42.
V. M.
Acosta
,
A.
Jarmola
,
E.
Bauch
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. B
82
,
201202
(
2010
).
43.
V. M.
Acosta
,
E.
Bauch
,
A.
Jarmola
,
L. J.
Zipp
,
M. P.
Ledbetter
, and
D.
Budker
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
174104
(
2010
).
44.
S.
Dushenko
,
K.
Ambal
, and
R. D.
McMichael
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
054036
(
2020
).
45.
C.
Degen
,
F.
Reinhard
, and
P.
Cappellaro
,
Rev. Mod. Phys.
89
,
035002
(
2017
).
46.
A. Yu.
Kitaev
, “Quantum measurements and the Abelian stabilizer problem,” arXiv:quant-ph/9511026 (1995).
47.
A. Yu.
Kitaev
, Electr. Coll. Comput. Complex TR96–003 (1996), https://eccc.weizmann.ac.il//report/1996/003/.
48.
B. L.
Higgins
,
D. W.
Berry
,
S. D.
Bartlett
,
H. M.
Wiseman
, and
G. J.
Pryde
,
Nature
450
,
393
(
2007
).
49.
D. W.
Berry
,
B. L.
Higgins
,
S. D.
Bartlett
,
M. W.
Mitchell
,
G. J.
Pryde
, and
H. M.
Wiseman
,
Phys. Rev. A
80
,
052114
(
2009
).
50.
R. S.
Said
,
D. W.
Berry
, and
J.
Twamley
,
Phys. Rev. B
83
,
125410
(
2011
).
51.
P.
Cappellaro
,
Phys. Rev. A
85
,
030301
(
2012
).
52.
C.
Bonato
,
M. S.
Blok
,
H. T.
Dinani
,
D. W.
Berry
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
, and
R.
Hanson
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
247
(
2016
).
53.
B. L.
Higgins
,
D. W.
Berry
,
S. D.
Bartlett
,
M. W.
Mitchell
,
H. M.
Wiseman
, and
G. J.
Pryde
,
New J. Phys.
11
,
073023
(
2009
).
54.
N. M.
Nusran
,
M. U.
Momeen
, and
M. V. G.
Dutt
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
109
(
2012
).
55.
G.
Waldherr
,
J.
Beck
,
P.
Neumann
,
R. S.
Said
,
M.
Nitsche
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
J.
Twamley
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
105
(
2012
).
56.
A. J. F.
Hayes
and
D. W.
Berry
,
Phys. Rev. A
89
,
013838
(
2014
).
57.
A.
Gentile
,
R.
Santagati
,
S.
Schmitt
, and
L. P.
McGuinness
, “Experimental datasets. figshare. Dataset. (2019), https://figshare.com/articles/dataset/Experimental_Datasets/7855118.
58.
R.
Santagati
,
A.
Gentile
,
S.
Knauer
,
S.
Schmitt
,
S.
Paesani
,
C.
Granade
,
N.
Wiebe
,
C.
Osterkamp
,
L.
McGuinness
,
J.
Wang
,
M.
Thompson
,
J.
Rarity
,
F.
Jelezko
, and
A.
Laing
,
Phys. Rev. X
9
,
021019
(
2019
).
59.
K.
Chaloner
and
I.
Verdinelli
,
Stat. Sci.
10
,
273
(
1995
).
60.
C. E.
Granade
,
C.
Ferrie
,
N.
Wiebe
, and
D. G.
Cory
,
New J. Phys.
14
,
103013
(
2012
).
61.
C.
Granade
,
C.
Ferrie
,
I.
Hincks
,
S.
Casagrande
,
T.
Alexander
,
J.
Gross
,
M.
Kononenko
, and
Y.
Sanders
,
Quantum
1
,
5
(
2017
).
62.
X.
Huan
and
Y. M.
Marzouk
,
J. Comput. Phys.
232
,
288
(
2013
).
63.
R. D.
McMichael
,
S. M.
Blakley
, and
S.
Dushenko
,
J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol.
126
,
126002
(
2021
).
64.
O.
Vasicek
,
J. R. Stat. Soc.: Ser. B
38
,
54
(
1976
).
You do not currently have access to this content.