研究人員利用鉆石內部的微觀缺陷來構建一個由三個量子位元組成的鏈（如圖所示為帶箭頭的小圓圈），可用於量子傳感。他們從一個中心缺陷開始，將其與附近的缺陷耦合，然後利用第二個缺陷來發現並控制第三個缺陷。圖片來源：麻省理工學院
在量子傳感中，原子級量子系統用於測量電磁場以及旋轉、加速度和距離等內容，比經典傳感器精確得多。例如，該技術可以使器材以前所未有的細節對大腦進行成像，或者使空中交通管制系統具有精確的定位精度。
隨著許多現實世界的量子傳感器材的出現，一個有前途的方向是利用鉆石內部的微觀缺陷來建立可用於量子傳感的「量子位元」。量子位元是量子器材的構建塊。
麻省理工學院和其他地方的研究人員已經開發出一種技術，使他們能夠辨識和控制更多的這些微觀缺陷。這可以幫助他們建立一個更大的量子位元系統，可以以更高的靈敏度執行量子傳感。
他們的方法建立在鉆石內部的一個中心缺陷之上，稱為氮空位 （NV） 中心，科學家可以使用激光檢測和激發它，然後用微波脈沖進行控制。這種新方法使用特定的微波脈沖協定來辨識並將該控制擴充套件到激光無法看到的其他缺陷，這些缺陷稱為暗自旋。
研究人員試圖透過連線自旋網絡定位它們來控制更多的暗自旋。從這個中央NV自旋開始，研究人員透過將NV自旋耦合到附近的暗自旋來構建這條鏈，然後使用這個暗自旋作為探針來尋找和控制NV無法直接感知的更遠的自旋。該過程可以在這些更遠的自旋上重復，以控制更長的鏈。
「我從這項工作中學到的一個教訓是，當你看不到結果時，在黑暗中搜尋可能會非常令人沮喪，但我們能夠承擔這種風險。只要有勇氣，就可以在人們以前沒有看過的地方進行搜尋，並找到可能更有利的量子位元，「Alex Ungar說。
Ungar 是麻省理工學院電氣工程和電腦科學專業的博士生，也是量子工程小組的成員，是一篇關於這項技術的論文的主要作者，該論文於 2 月 7 日發表在 PRX Quantum 上。
他的合著者包括他的導師和通訊作者，核科學與工程系福特工程學教授兼物理學教授Paola Cappellaro;以及滑鐵盧大學量子計算研究所的高級研究科學家亞歷山大·庫珀（Alexandre Cooper）;以及Won Kyu Calvin Sun，他是Cappellaro小組的前研究員，現在是伊利諾大學厄巴納-香檳分校的博士後。
金剛石缺陷
為了建立NV中心，科學家們將氮註入鉆石樣品中。
但是，將氮引入鉆石會在周圍環境中產生其他類別的原子缺陷。其中一些缺陷，包括NV中心，可以承載所謂的電子自旋，這些自旋起源於缺陷部位周圍的價電子。價電子是原子最外層的電子。缺陷與外部磁場的相互作用可用於形成量子位元。
研究人員可以利用這些來自相鄰缺陷的電子自旋，在單個NV中心周圍建立更多的量子位元。這種較大的量子位元集合稱為量子寄存器。擁有更大的量子寄存器可以提高量子傳感器的效能。
其中一些電子自旋缺陷透過磁相互作用連線到NV中心。在過去的工作中，研究人員利用這種相互作用來辨識和控制附近的自旋。然而，這種方法是有局限性的，因為NV中心只能在很短的時間內保持穩定，這一原理稱為相幹性。它只能用於控制在此相幹限制內可以達到的少數自旋。
在這篇新論文中，研究人員使用NV中心附近的電子自旋缺陷作為探針來尋找和控制額外的自旋，從而建立由三個量子位元組成的鏈。
他們使用一種稱為自旋回波雙共振（SEDOR）的技術，該技術涉及一系列微波脈沖，這些脈沖將NV中心與與之相互作用的所有電子自旋解耦。然後，他們有選擇地施加另一個微波脈沖，將NV中心與附近的一個自旋配對。
與NV不同，這些相鄰的暗自旋不能被激光激發或偏振。這種極化是用微波控制它們的必要步驟。
一旦研究人員發現並表征了第一層自旋，他們就可以透過同時將微波套用於兩個自旋，透過磁相互作用將NV的極化轉移到第一層自旋。然後，一旦第一層自旋極化，他們就在第一層自旋上重復SEDOR過程，將其用作探針來辨識與之相互作用的第二層自旋。
控制一連串的黑暗旋轉
這種重復的SEDOR過程使研究人員能夠檢測和表征位於NV中心相幹極限之外的新的、獨特的缺陷。為了控制這種更遠的自旋，他們小心翼翼地施加一系列特定的微波脈沖，使它們能夠將極化從NV中心沿鏈轉移到第二層自旋。
「這為為建立更大的量子寄存器到更高層的自旋或更長的自旋鏈奠定了基礎，並且還表明我們可以透過擴大這種技術來發現這些以前沒有發現的新缺陷，」Ungar說。
為了控制自旋，微波脈沖必須非常接近該自旋的共振頻率。由於溫度或振動，實驗裝置中的微小漂移可能會使微波脈沖產生。
Ungar說，研究人員能夠最佳化他們的協定以發送精確的微波脈沖，這使他們能夠有效地辨識和控制第二層自旋。
「我們正在尋找未知的東西，但與此同時，環境可能並不穩定，所以你不知道你發現的是否只是噪音。一旦你開始看到有希望的事情，你就可以把所有最大的努力都放在那個方向上。但在你到達那裏之前，這是一個信仰的飛躍，「卡佩拉羅說。
雖然他們能夠有效地演示三自旋轉鏈，但研究人員估計，他們可以使用當前的協定將他們的方法擴充套件到第五層，這可以提供對數百個潛在量子位元的存取。透過進一步最佳化，它們可能能夠擴充套件到 10 層以上。
未來，他們計劃繼續改進他們的技術，以有效地表征和探測環境中的其他電子自旋，並探索可用於形成量子位元的不同類別的缺陷。
更多資訊： Alexander Ungar 等人，超越中心自旋相幹極限的環境自旋缺陷的控制， PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.010321
