我国科学家首次实现了固态系统标准量子极限磁测量的突破

和中国科学技术大学中国科学院显微磁共振重点实验室石发展，基于金刚石固体单自旋系统，在室温大气中实现了突破标准量子极限的磁测量。这一成果最近发表在国际期刊《科学进展》上。

测量是人类认识自然的重要手段，其本质是一个物理过程，其准确性受到物理规律的限制。具体来说，许多测量行为受到标准量子极限的限制，但这不是最本质的极限。量子纠缠可以用来突破这个极限，接近一个更基本的极限，——海森堡极限。在过去的几十年里，离子阱、原子系综和光子等许多系统都展示了突破标准量子极限的能力，其中一些系统已经应用于光学时钟和引力波探测领域。

最近，固体单自旋系统——金刚石中的N空位色心(NV色心)得到了发展。得益于固体晶格的保护，它可以在室温和大气中很好地工作。基于原子级传感器NV色心，人们实现了单分子磁共振检测和纳米尺度的磁共振成像。但是，在保护NV色心的同时，立体点阵本身是一个比真空更复杂、更混乱的环境。这使得很难确定地准备自旋纯态和高保真地准备自旋操纵。因此，尽管在这个系统上有一些与标准量子极限相关的工作，但标准量子极限的突破还没有实现。

杜江峰院士介绍：要突破标准量子极限，需要在电荷态初始化、电子自旋初始化、核自旋初始化、微波射频脉冲操控、氮空位色心自旋测量等非常困难的环节实现高保真。本文的研究团队综合开发了一系列技术来克服这一难题。在初始化方面，首次在室温下实现了NV电荷态、电子自旋态和核自旋态的联合初始化，通过预选反馈控制的方法，明确了电荷态的准备，NV-比从74.3%提高到99.42%；采用脉冲光极化法，在连续光照射下，电子极化率从90%提高到97.74%。该方法同时兼容电荷态初始化，几乎不破坏电荷态就能完成电子自旋态的初始化。在量子操控方面，用形状脉冲代替简单的方波脉冲，非局域门的保真度估计超过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。

“基于上述技术，研究人员成功突破了基于NV色心的固态自旋系统中的标准量子极限。”杜江峰说，在真实的噪声环境下，用双量子位和三量子位测量相位，其灵敏度分别超过了1.79dB和2.77dB的标准量子极限；分别；利用双量子比特测量真实磁场，其灵敏度已经超过标准量子极限0.87dB。

这项工作中使用的技术有许多实际应用。“它可以进一步提高单个NV色心的磁灵敏度。基于单自旋初始化、操纵和探测等各种技术的改进，单个NV色心自旋的磁灵敏度可以优于1nT/Sqrt(Hz)。”杜江峰告诉记者，更高的灵敏度可以使我们更快、更精细地准确探测目标，这对推动NV色心在生命科学、凝聚态物理等领域的应用具有重要作用，有利于发现新现象、新规律。这项工作开发的技术自然可以推广到其他固体自旋系统，对推动固体系统中量子精密测量和量子计算的发展具有基础性作用。