【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學院院士、中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室教授杜江峰與教授石發(fā)展等，基于金剛石固態(tài)單自旋體系，在室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)了突破標準量子極限的磁測量。相關研究成果以Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins為題，發(fā)表在Science Advances上。
測量是人類認知自然的重要手段，其本質(zhì)是物理過程，精度受到物理規(guī)律的限制。較多測量行為均受到“標準量子極限”(Standard quantum limit)的限制，而這并非最本質(zhì)的極限，可以利用量子糾纏突破這一限制，并逼近更根本的極限——“海森堡極限”(Heisenberg Limit)。離子阱、原子系綜、光子等體系均已展示了突破標準量子極限的能力，部分已應用于光鐘和引力波探測等領域。
一種近期發(fā)展起來的固態(tài)單自旋體系——金剛石中的氮-空位色心(NV色心)，得益于固態(tài)晶格的保護，可較好地工作在室溫大氣環(huán)境下。基于NV色心這種原子尺度的傳感器，研究已實現(xiàn)單分子磁共振探測以及納米尺度的磁成像等。然而，固態(tài)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(huán)境。這使確定性地制備自旋純態(tài)、高保真度的自旋操控等均變得困難，在該體系上雖有部分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(xiàn)。
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(tài)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，具有較高的難度。研究團隊綜合發(fā)展了一系列技術，攻克了這一難題。在初始化方面，在室溫下確定性地實現(xiàn)了NV電荷態(tài)、電子自旋態(tài)以及核自旋態(tài)的聯(lián)合初始化；通過前選擇反饋控制的方法，對電荷狀態(tài)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(xù)光照射下的90%提高到97.74%，該方法與電荷態(tài)初始化可同時兼容，可在幾乎不破壞電荷態(tài)的情況下完成對電子自旋態(tài)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(xiàn)了0.5mK的溫度穩(wěn)定性和1ppm的磁場穩(wěn)定性。
基于以上技術，科研人員在基于NV色心的固態(tài)自旋體系中突破了標準量子極限。在真實噪聲環(huán)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。
該研究采用的技術有較多實際應用，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(yōu)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(tài)物理等領域的應用具有重要的促進作用，有助于新現(xiàn)象新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。該工作發(fā)展的技術可推廣到其他固態(tài)自旋體系，對于固態(tài)體系量子精密測量和量子計算的發(fā)展具有基礎性的推動作用。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部、中科院和安徽省的資助。
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