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          中國科大首次在固態體系實現突破標準量子極限的磁測量

          時間:2021-08-13 23:31:05 來源:中國科大新聞網

            中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展等人基于金剛石固態單自旋體系在室溫大氣環境下實現了突破標準量子極限的磁測量,該成果以“Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins”為題發表在近期Science Advances上[Science Advances 7, eabg9204 (2021)]。


            測量是人類認知自然的重要手段,其本質是一個物理過程,精度受到物理規律的限制。具體來說,很多測量行為都受到一個叫做標準量子極限(Standard quantum limit)的限制,但這并非最本質的極限,可以利用量子糾纏突破這一限制,并逼近一個更根本的極限——海森堡極限(Heisenberg Limit)。在過去幾十年里,離子阱、原子系綜、光子等很多體系都已經展示了突破標準量子極限的能力,其中一些已應用于光鐘和引力波探測等領域。


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          圖:金剛石中的單個氮-空位色心示意圖,圖中展示了實驗中使用的各類激光、微波、射頻等調控手段。


            一種近期發展起來的固態單自旋體系——金剛石中的氮-空位色心(NV色心),得益于固態晶格的保護,其可以很好地工作在室溫大氣環境下?;贜V色心這種原子尺度的傳感器,人們已實現單分子磁共振探測以及納米尺度的磁成像等。然而,固態晶格在保護NV色心的同時,其本身相較于真空也是一種更復雜、混亂的環境。這使得確定性地制備自旋純態、高保真度的自旋操控等都變得十分困難,因此盡管在該體系上有一些與標準量子極限相關的工作,但突破標準量子極限仍未實現。


            為了突破標準量子極限,實驗上需要同時在氮-空位色心的電荷態初始化、電子自旋初始化、核自旋初始化、微波射頻脈沖操控和自旋測量等方面達到高保真度,具有很高的難度。本文研究團隊綜合發展了一系列技術,攻克了這一難題。在初始化方面,首次在室溫下確定性地實現了NV電荷態、電子自旋態以及核自旋態的聯合初始化;通過前選擇反饋控制的方法,對電荷狀態進行確定性的制備,將NV-比例從74.3%提高到99.42%;采用脈沖光極化的方法,將電子極化度從使用連續光照射下的90%提高到97.74%,該方法與電荷態初始化可同時兼容,可在幾乎不破壞電荷態的情況下完成對電子自旋態的初始化。在量子操控方面,實驗使用了形狀脈沖的操控方法代替簡單的方波脈沖,非局域門的保真度估值超過了0.99。在實驗條件方面,實現了0.5mK的溫度穩定性和1ppm的磁場穩定性。


            基于以上技術,研究人員在基于NV色心的固態自旋體系中成功地突破了標準量子極限。其中,在真實噪聲環境下,利用雙量子比特和三量子比特對相位的測量,其靈敏度分別突破了標準量子極限1.79 dB和2.77 dB;利用雙量子比特對真實磁場的測量,其靈敏度突破了標準量子極限0.87 dB。


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            圖:(a)電子自旋、核自旋和電荷態確定性聯合初始化序列;(b)進行糾纏干涉測量的量子線路圖;(c)量子費舍爾信息與量子比特數;(d)對磁信號測量的漲落與重復次數的關系;(e)雙量子比特糾纏干涉中自旋態和電荷態初始化、自旋操控等各部分保真度。


            這一工作所采用的技術有很多實際的應用,例如可以進一步提高單個NV色心的測磁靈敏度,基于單自旋初始化、操控、檢測等各項技術的提升可使單個NV色心自旋的測磁靈敏度優于1nT/Sqrt(Hz)。更高的靈敏度可以讓我們更快速、更精細地對目標進行精密檢測,這對NV色心在生命科學、凝聚態物理等領域的應用有重要推動作用,有助于新現象新規律的發現。該工作發展的技術可以很自然地推廣到其它固態自旋體系,對于固態體系量子精密測量和量子計算的發展都具有基礎性的推動作用。


            中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士后謝天宇和博士生趙致遠為該文并列第一作者,杜江峰院士和石發展教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和安徽省的資助。


            論文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/7/32/eabg9204


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