Måling ud over standard kvantegrænse realiseret med nitrogen-ledige centre i diamant

Fig. 1 Dynamik og styring af et enkelt NV -center. (A) Diagram over et enkelt NV -center i diamant. Den drives af forskellige laserstråler og styres sammenhængende af MW- og RF -pulser. Kvadreret:kvadreret 532 nm grøn laser til udlæsning af NV-elektron-spin og blandingsladningstilstande; hakket:hakket lasersekvens for en bedre polarisering af elektron -spin uden at ødelægge ladningstilstand; stærk:stærk (4 μW) 594 nm orange laser til udlæsning af ladetilstand i realtid feedback; svag:svag (0,18 μW) orange laser til aflæsning af ladningstilstand med et enkelt skud. NV -elektron -spin (S =1), ledsagende 14N atomspin (I =1), og en af tilfældigt fordelte 13C nukleare spins (I =1/2) udgør interferometeret. (B) Nivealdiagrammer over NV negative og neutrale tilstande betegnet med NV− og NV0 og den tilsvarende dynamik drevet af den 532 nm grønne laser og den 594 nm orange laser. (C) Centrifugeringsniveau struktur for NV -triplets grundtilstand. MW- og RF -impulser bruges til sammenhængende manipulation af NV -elektron -spin og to nukleare spins (14N og 13C). (D) Projektiv måling af 13C atomspin. Den stiplede linje angiver tærsklen for at bestemme, hvilken tilstand den forbliver i. Kredit:DOI:10.1126/sciadv.abg9204

Mange målinger er begrænset af standard kvantegrænse (SQL). SQL er defineret som de målte støjniveauer, der er indstillet af kvantemekanik. Quantum entanglement kan bruges til at slå SQL og nærme sig en ultimativ grænse kaldet Heisenberg limit (HL). Sub-SQL-målinger er blevet realiseret i mange systemer under ekstreme forhold, og sensorer i disse systemer er ikke egnede til realistiske målinger under omgivende forhold.

Nitrogen-vacancy (NV) centre i diamant kan bruges som sensorer til elektron og nuklear magnetisk resonans. De kan fungere godt under miljøforhold på grund af beskyttelsen af massivt krystalgitter. En hel sub-SQL-måleproces baseret på et enkelt NV-center inkluderer initialisering af NVs-spins, sammenfiltring under omgivelsesbetingelser, påvisning af fysiske størrelser og aflæsning af resultater. Der opstod nu vanskeligheder ved initialisering og sammenfiltring af NV.

Et forskerhold ledet af prof. Du Jiangfeng fra University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi realiserede en sub-SQL-måling under omgivende tilstand med NV-centre i diamant, og fandt ud af, at brugen af sammenfiltrede sensorer kan slå SQL og realisere mere præcise målinger. Denne undersøgelse blev offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Forskerne anvendte en feedback-teknik i realtid til at initialisere spins til en meget ren tilstand, og opnåede den fælles initialisering af NV -ladningstilstand, elektron spin, og to nukleare spins med høj troværdighed.

De erstattede kvadratisk pulslaser med hakket lasersekvens til polarisering af elektronspin, forbedring af den tilsvarende laserfidelitet fra 90% til 97,7%.

Derudover forskerne optimerede eksperimentopsætninger for bedre at kontrollere eksperimentelle forhold. Gennem sofistikeret konfiguration til varmeisolering og apropos proportion-integration-differentiering (PID) parametre til feedback, de indså en relativt lav temperatursvingning på 0,5mK under forsøg og et meget stabilt magnetfelt med volatiliteten på 1ppm.

Dette arbejde åbner nye perspektiver for undersøgelse af solid-state spin-systemer, og lægger grundlaget for kvantefølelse og computing.

Sidste artikelState-of-the-art computerkode kan fremme indsatsen for at udnytte fusionsenergi

Næste artikelUdstående øjne, mund gør rokker mere hydrodynamisk effektive