?

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)室杜江峰、石發(fā)展等人基于金剛石固態(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，該成果以“Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins”為題發(fā)表在近期Science Advances上[Science Advances 7, eabg9204 (2021)]。

測(cè)量是人類認(rèn)知自然的重要手段，其本質(zhì)是一個(gè)物理過程，精度受到物理規(guī)律的限制。具體來說，很多測(cè)量行為都受到一個(gè)叫做標(biāo)準(zhǔn)量子極限(Standard quantum limit)的限制，但這并非最本質(zhì)的極限，可以利用量子糾纏突破這一限制，并逼近一個(gè)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(jīng)展示了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的能力，其中一些已應(yīng)用于光鐘和引力波探測(cè)等領(lǐng)域。

圖：金剛石中的單個(gè)氮-空位色心示意圖，圖中展示了實(shí)驗(yàn)中使用的各類激光、微波、射頻等調(diào)控手段。

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)，其可以很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，人們已實(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。這使得確定性地制備自旋純態(tài)、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(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，具有很高的難度。本文研究團(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，首次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)，研究人員在基于NV色心的固態(tài)自旋體系中成功地突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。其中，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。

圖：（a）電子自旋、核自旋和電荷態(tài)確定性聯(lián)合初始化序列；（b）進(jìn)行糾纏干涉測(cè)量的量子線路圖；（c）量子費(fèi)舍爾信息與量子比特?cái)?shù)；（d）對(duì)磁信號(hào)測(cè)量的漲落與重復(fù)次數(shù)的關(guān)系；（e）雙量子比特糾纏干涉中自旋態(tài)和電荷態(tài)初始化、自旋操控等各部分保真度。

這一工作所采用的技術(shù)有很多實(shí)際的應(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)用有重要推動(dòng)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)可以很自然地推廣到其它固態(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)展都具有基礎(chǔ)性的推動(dòng)作用。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后謝天宇和博士生趙致遠(yuǎn)為該文并列第一作者，杜江峰院士和石發(fā)展教授為論文的共同通訊作者。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

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

（中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）