糾纏的自旋賦予鑽石量子優勢。

Jayich 和她的團隊致力於量子物理學和材料科學的交叉領域。它研究如何設計鑽石中被稱為自旋量子位的精確原子級缺陷來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。並前往加州理工學院從事博士後工作。這導致了該領域的重大進步。

通過三篇聯合撰寫的文章 – 其中一篇 普瑞克斯 三月份和二月份 自然 十月——休首次證明，不僅單個量子位，而且二維量子缺陷的大量集合都可以在鑽石內組織和糾纏。這一成就標誌著向在傳感領域提供量子優勢的固態系統邁出了重要一步。這為下一代量子器件開闢了一條新路徑。

鑽石的量子工程缺陷

“我們能夠通過控制氮空位 (NV) 的密度和尺寸來創建金剛石中氮空位 (NV) 的中心旋轉結構。這樣它們就會被堆積並限制在二維層的深度內，”Hugh 解釋道。 “而且因為我們可以設計斷層的放置方式。因此，我們能夠將其設計為表現出非零偶極相互作用。”這一成功奠定了 PRX “(111) 取向金剛石中高度相互作用的二維自旋偶極簇”研究的基礎。

NV中心由取代碳原子的氮原子組成。以及缺少碳原子的相鄰空位。 “NV 中心缺陷具有某些特性。其中之一是稱為自旋的自由度。這是量子力學的基本概念。對於 NV 中心，自旋的壽命非常長，”Jayich 說。 “這些長壽命的自旋態使得 NV 中心對於量子傳感非常有用。自旋與我們試圖感知的磁場配對。”

從 MRI 到量子傳感

使用自旋作為傳感器的想法起源於20世紀70年代磁共振成像（MRI）的發展。 Jayich 解釋說，MRI 的工作原理是控制質子的排列和能量狀態。並檢測他們放鬆時發出的信號。創建內部結構的圖像

“之前在固態系統中進行的量子傳感實驗都使用單自旋或非相互作用自旋，”賈伊奇說。 “這裡的新之處在於，因為莉蓮能夠生長和設計這些高度交互的密集自旋集。因此我們可以利用集體行為。這提供了額外的量子優勢。它使我們能夠利用量子糾纏現象來實現更好的信噪比。提供更高的靈敏度並使測量更好。”

為什麼鑽石對於量子傳感器很重要？

休展示的糾纏輔助檢測類型之前已經展示過。但僅限於氣相原子系統。 “原則上，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。 “例如，使用金剛石等固態材料比使用具有 GPS 的氣相原子傳感器更容易做到這一點。此外，原子傳感器需要大量額外的硬件來約束和控制它們，例如真空室和大量激光器。這使得原子傳感器很難在納米級別接近蛋白質，例如，禁止高空間分辨率成像。”

Jayich 的團隊特別專注於使用基於金剛石的量子傳感器來研究該材料的電子特性。 “您可以將材料目標放置在靠近納米金剛石表面的位置。這使它們非常接近地下 NV 中心，”Jayich 解釋道。 “因此，將這種類型的量子金剛石傳感器集成到各種有趣的目標系統中非常容易。這就是這個平台如此令人興奮的一個重要原因。”

以量子精度探索材料和生物學

Jayich 說：“這種類型的固態磁傳感器對於生物系統等測量非常有用。” “例如，核磁共振（NMR）基於對來自構成生物系統的原子的非常小的磁場的檢測。如果你想了解新材料，這種方法也很有用。無論是電子材料、超導材料還是磁性材料，都可能對各種應用有用。”

克服量子噪聲

每個測量都有一個由噪聲設定的限制。限制精度 這種噪聲的基本形式稱為量子輻射噪聲。它定義了所謂的標準量子極限。這是獨立傳感器無法改進的地方。如果科學家能夠在傳感器之間創建特定的相互作用，他們將能夠克服這一界限。一種方法是使用旋轉擠壓。這與量子態有關，以減少不確定性。

“就好像你試圖用米尺以一厘米間隔的梯度來測量某物。厘米間隔的梯度是測量中聲音的振幅。你不會使用這樣的量尺來測量阿米巴原蟲的大小。它們比一厘米小得多，”賈伊奇說。 “擠壓靜音”是指利用量子力學相互作用來有效地“擠壓”米尺。這會產生更微妙的漸變。並讓您能夠更準確地測量小事物。 ”

量子信號放大

團隊第二名 自然 本文檔詳細介紹了改進測量的另一種策略：信號放大。這種方法增強了信號而不增加噪聲。在儀表條比較中放大信號使阿米巴顯得更大。因此，即使是粗糙的測量標記也能準確捕獲信號。

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在不久的將來在有用的傳感實驗中展示量子優勢，”她說。 “這主要是為了增強放大效果或增加壓縮量。實現此目的的一種方法是通過創建規則陣列來控制 2Dxy 平面中的旋轉位置。”

“這裡存在重大挑戰。這是因為我們無法準確確定旋轉在哪裡組合。因此它在飛機內以相對隨機的方式組合，”賈伊奇補充道。 “這就是我們正在努力的方向。這樣我們最終就能得到這些旋轉台。每一輪之間都會有一定的距離。這解決了在傳感領域實現實際量子優勢的突出挑戰。”