【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測(cè)量。相關(guān)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(cè)量是人類認(rèn)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(cè)量行為均受到“標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)量子極限的能力，部分已應(yīng)用于光鐘和引力波探測(cè)等領(lǐng)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(hù)，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(shí)現(xiàn)單分子磁共振探測(cè)以及納米尺度的磁成像等。然而，固態(tài)晶格在保護(hù)NV色心的同時(shí)，其本身相較于真空也是一種更復(fù)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(biāo)準(zhǔn)量子極限相關(guān)的工作，但突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限仍未實(shí)現(xiàn)。
 

　　為了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，實(shí)驗(yàn)上需要同時(shí)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(cè)量等方面達(dá)到高保真度，具有較高的難度。研究團(tuán)隊(duì)綜合發(fā)展了一系列技術(shù)，攻克了這一難題。在初始化方面，在室溫下確定性地實(shí)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(duì)電荷狀態(tài)進(jìn)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(shí)兼容，可在幾乎不破壞電荷態(tài)的情況下完成對(duì)電子自旋態(tài)的初始化。在量子操控方面，實(shí)驗(yàn)使用了形狀脈沖的操控方法代替簡(jiǎn)單的方波脈沖，非局域門的保真度估值超過了0.99。在實(shí)驗(yàn)條件方面，實(shí)現(xiàn)了0.5mK的溫度穩(wěn)定性和1ppm的磁場(chǎng)穩(wěn)定性。
 

　　基于以上技術(shù)，科研人員在基于NV色心的固態(tài)自旋體系中突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在真實(shí)噪聲環(huán)境下，利用雙量子比特和三量子比特對(duì)相位的測(cè)量，其靈敏度分別突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限1.79 dB和2.77 dB；利用雙量子比特對(duì)真實(shí)磁場(chǎng)的測(cè)量，其靈敏度突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限0.87 dB。
 

　　該研究采用的技術(shù)有較多實(shí)際應(yīng)用，例如可以進(jìn)一步提高單個(gè)NV色心的測(cè)磁靈敏度，基于單自旋初始化、操控、檢測(cè)等各項(xiàng)技術(shù)的提升可使單個(gè)NV色心自旋的測(cè)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(xì)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精密檢測(cè)，這對(duì)NV色心在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的促進(jìn)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(shù)可推廣到其他固態(tài)自旋體系，對(duì)于固態(tài)體系量子精密測(cè)量和量子計(jì)算的發(fā)展具有基礎(chǔ)性的推動(dòng)作用。
 

　　研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、中科院和安徽省的資助。