中国科大首次在固态体系实现突破标准量子极限的磁测量

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8 月 13 日消息 据中国科大官网，中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量。

了解到，该成果以“Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins”为题发表在近期 Science Advances 上。

金刚石中的单个氮-空位色心示意图，图中展示了实验中使用的各类激光、微波、射频等调控手段 | 中国科大官网，下同

为了突破标准量子极限，实验上需要同时在氮-空位色心的电荷态初始化、电子自旋初始化、核自旋初始化、微波射频脉冲操控和自旋测量等方面达到高保真度，具有很高的难度。研究团队综合发展了一系列技术，攻克了这一难题。在初始化方面，首次在室温下确定性地实现了 NV 电荷态、电子自旋态以及核自旋态的联合初始化；通过前选择反馈控制的方法，对电荷状态进行确定性的制备，将 NV-比例从 74.3% 提高到 99.42%；采用脉冲光极化的方法，将电子极化度从使用连续光照射下的 90% 提高到 97.74%，该方法与电荷态初始化可同时兼容，可在几乎不破坏电荷态的情况下完成对电子自旋态的初始化。在量子操控方面，实验使用了形状脉冲的操控方法代替简单的方波脉冲，非局域门的保真度估值超过了 0.99。在实验条件方面，实现了 0.5mK 的温度稳定性和 1ppm 的磁场稳定性。

基于以上技术，研究人员在基于 NV 色心的固态自旋体系中成功地突破了标准量子极限。其中，在真实噪声环境下，利用双量子比特和三量子比特对相位的测量，其灵敏度分别突破了标准量子极限 1.79 dB 和 2.77 dB；利用双量子比特对真实磁场的测量，其灵敏度突破了标准量子极限 0.87 dB。

（a）电子自旋、核自旋和电荷态确定性联合初始化序列；（b）进行纠缠干涉测量的量子线路图；（c）量子费舍尔信息与量子比特数；（d）对磁信号测量的涨落与重复次数的关系；（e）双量子比特纠缠干涉中自旋态和电荷态初始化、自旋操控等各部分保真度。

据介绍，这一工作所采用的技术有很多实际的应用，例如可以进一步提高单个 NV 色心的测磁灵敏度，基于单自旋初始化、操控、检测等各项技术的提升可使单个 NV 色心自旋的测磁灵敏度优于 1nT/Sqrt (Hz)。更高的灵敏度可以让我们更快速、更精细地对目标进行精密检测，这对 NV 色心在生命科学、凝聚态物理等领域的应用有重要推动作用，有助于新现象新规律的发现。该工作发展的技术可以很自然地推广到其它固态自旋体系，对于固态体系量子精密测量和量子计算的发展都具有基础性的推动作用。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/32/eabg9204