糾纏自旋賦予鑽石量子優勢

Jayich 和他的團隊致力於量子物理學和材料科學的交叉領域，探索如何利用金剛石中精確的原子級缺陷（稱為自旋量子位）實現先進的量子傳感。在該小組的傑出研究人員中，莉蓮·休斯 (Lillian Hughes) 最近完成了博士學位。並且即將前往加州理工學院進行博士後工作，他在這一領域取得了很大的進展。

通過三篇共同撰寫的文章，其中一篇 普瑞克斯 三月和二月 自然 十月——休斯首次證明，不僅單個量子位，而且許多量子缺陷的二維陣列都可以在金剛石內排列和糾纏。這一成就標誌著固態系統的一個里程碑，它在傳感方面提供了可測量的量子優勢，為下一代量子設備鋪平了新的道路。

金剛石的量子缺陷工程

“我們可以在金剛石中創建一種以氮真空 (NV) 為中心的自旋結構，並控制其密度和尺寸，從而使它們在二維層中密集堆積且深度有限，”休斯解釋道。 “而且因為我們可以設計缺陷的方向，所以我們可以將它們設計成表現出非零偶極相互作用。”這一成就構成了 PRX 研究“(111) 取向金剛石中的強相互作用、雙分子、​​偶極自旋係綜”的基礎。

NV中心由取代碳原子的氮原子和缺少碳原子的側空位組成。 Jayich 說：“NV 中心的缺陷具有某些特性，其中之一是稱為自旋的自由度，這基本上是一個量子力學概念。就 NV 中心而言，自旋非常長。” “這些長壽命的自旋態使得 NV 中心對於量子傳感非常有用。這些自旋與我們試圖檢測的磁場配對。”

從 MRI 到量子傳感

使用自旋作為傳感器的概念可以追溯到 20 世紀 70 年代磁共振成像 (MRI) 的發展。 Jayich 解釋說，MRI 的工作原理是監測質子的排列和能量狀態，並檢測它們放鬆時發出的信號，從而形成內部結構的圖像。

賈伊奇說：“以前在固態系統中進行的量子傳感實驗使用的是單個自旋或非相互作用自旋簇。” “這裡的新穎之處在於，由于莉蓮生長並設計了這些密集相互作用的自旋簇，我們可以利用集體行為，這提供了額外的量子優勢，即量子糾纏現象，以實現更好的信噪比，提供更高的靈敏度，使我們能夠進行更好的測量。”

為什麼鑽石對量子傳感器很重要

休斯展示的糾纏輔助傳感類型之前已經被證明過，但僅限於氣相原子系統。 “理想情況下，對於許多目標應用，您的傳感器應該易於集成並接近正在研究的系統，”Jayich 說。 “使用金剛石等固態材料比使用 GPS 所基於的氣相原子傳感器要容易得多。此外，原子傳感器需要大量額外的硬件來限制和控制，例如真空室和多個激光器，並且很難將原子傳感器帶到納米尺度，例如禁止蛋白質成像。”

Jayich 的團隊專注於使用基於金剛石的量子傳感器來研究材料的電子特性。 Jayich 解釋說：“您可以將材料目標放置在靠近金剛石表面的納米級位置，從而使它們非常靠近地下 NV 中心。” “因此，將這種量子金剛石傳感器與不同有趣的目標系統集成起來非常容易。這就是這個平台如此令人興奮的一個重要原因。”

以量子精度探測材料和生物學

“例如，這種固態磁傳感器對於研究生物系統非常有用，”賈伊奇說。 “核磁共振 (NMR) 基於對來自組成原子的非常小的磁場的檢測，例如在生物系統中。如果您想了解可能對各種應用有用的新材料、電子材料、超導材料或磁性材料，這種方法也很有用。”

克服量子噪聲

每個測量都會受到噪聲的限制，從而限制了精度。這種噪聲的基本形式稱為量子投影噪聲，它設定了所謂的標準量子極限，超過該極限，非糾纏傳感器就無法改進。如果科學家能夠設計傳感器之間的特定交互，他們就可以克服這一限制。實現這一目標的一種方法是自旋壓縮，它將量子態聯繫起來以減少不確定性。

“這就像試圖用具有一厘米刻度的米尺來測量某些東西；這些厘米刻度實際上是測量中噪聲的幅度。你不會使用這樣的米尺來測量阿米巴原蟲的大小，它比一厘米小得多，”賈伊奇說。 “通過擠壓——消除噪音——你可以有效地利用量子力學相互作用來‘縮小’量尺，有效地創造出更精細的刻度，讓你能夠更精確地測量更小的東西。”

量子信號的放大

小組第二名 自然 該論文概述了另一種改進測量的策略：信號放大。這種方法增強了信號而不增加噪聲。以儀表為例，放大信號會使阿米巴原蟲變大，這樣它就可以準確地拾取最粗糙的測量標記。

展望未來，Jayich 有信心將這些原則應用到現實世界的系統中。 “我認為預期的技術挑戰不會阻止我們在不久的將來在實際傳感實驗中展示量子優勢，”他說。 “主要是為了讓信號放大更強或者增加擠壓的次數。一種方法是控制自旋在2Dxy平面上的位置，形成規則的陣列。”

賈伊奇補充說：“這裡存在材料方面的挑戰，因為我們無法準確確定旋轉將適合的位置，它們只是以隨機方式適合平面。” “這是我們現在正在研究的事情，以便我們最終能夠擁有這些自旋的網格，每個自旋間隔特定的距離。這將解決在傳感領域實現實際量子優勢的巨大挑戰。”