我國首次在固態(tài)體系實現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測量

  ICC訊 記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、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)境下實現(xiàn)了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測量，該成果日前發(fā)表在《科學(xué)進展》上。

  測量是人類認(rèn)知自然的重要手段，很多測量行為都受到一個叫做標(biāo)準(zhǔn)量子極限的限制，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，并逼近一個更根本的極限——海森堡極限。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等領(lǐng)域。

  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，其可以很好地工作在室溫大氣環(huán)境下。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(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)量子極限仍未實現(xiàn)。

  為了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，研究團隊綜合發(fā)展了一系列技術(shù)?；谶@些技術(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(biāo)準(zhǔn)量子極限1.79dB和2.77dB；利用雙量子比特對真實磁場的測量，其靈敏度突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限0.87dB。

  這一成果所采用的技術(shù)有很多實際的應(yīng)用，對于NV色心在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的應(yīng)用有重要推動作用，有助于新現(xiàn)象新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。這項研究發(fā)展的技術(shù)，可以很自然地推廣到其他固態(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)展都具有基礎(chǔ)性的推動作用。