中國首次在固態體系實現突破標準量子極限的磁測量

  記者從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展等人，基於金剛石固態單自旋體系在室溫大氣環境下實現了突破標準量子極限的磁測量，該成果日前發表在《科學進展》上。
  測量是人類認知自然的重要手段，很多測量行為都受到一個叫做標準量子極限的限制，但這並非最本質的極限，可以利用量子糾纏突破這一限制，並逼近一個更根本的極限——海森堡極限。在過去幾十年裡，離子阱、原子系綜、光子等很多體系都已經展示了突破標準量子極限的能力，其中一些已應用於光鍾和引力波探測等領域。
  近期發展起來的固態單自旋體系——金剛石中的氮—空位色心（NV色心），得益於固態晶格的保護，其可以很好地工作在室溫大氣環境下。然而，固態晶格在保護NV色心的同時，其本身相較於真空也是一種更複雜、混亂的環境。這使得確定性地製備自旋純態、高保真度的自旋操控等都變得十分困難，因此儘管在該體繫上有一些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。
  為了突破標準量子極限，研究團隊綜合發展了一系列技術。基於這些技術，研究人員在基於NV色心的固態自旋體系中成功地突破了標準量子極限。其中，在真實噪聲環境下，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1.79dB和2.77dB；利用雙量子比特對真實磁場的測量，其靈敏度突破了標準量子極限0.87dB。
  這一成果所採用的技術有很多實際的應用，對於NV色心在生命科學、凝聚態物理等領域的應用有重要推動作用，有助於新現象新規律的發現。這項研究發展的技術，可以很自然地推廣到其他固態自旋體系，對於固態體系量子精密測量和量子計算的發展都具有基礎性的推動作用。