我国科学家首次在固态体系实现突破标准量子极限的磁测量

记者从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人，基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量，该成果日前发表在《科学进展》上。

测量是人类认知自然的重要手段，很多测量行为都受到一个叫做标准量子极限的限制，但这并非最本质的极限，可以利用量子纠缠突破这一限制，并逼近一个更根本的极限——海森堡极限。在过去几十年里，离子阱、原子系综、光子等很多体系都已经展示了突破标准量子极限的能力，其中一些已应用于光钟和引力波探测等领域。

近期发展起来的固态单自旋体系——金刚石中的氮—空位色心（NV色心），得益于固态晶格的保护，其可以很好地工作在室温大气环境下。然而，固态晶格在保护NV色心的同时，其本身相较于真空也是一种更复杂、混乱的环境。这使得确定性地制备自旋纯态、高保真度的自旋操控等都变得十分困难，因此尽管在该体系上有一些与标准量子极限相关的工作，但突破标准量子极限仍未实现。

为了突破标准量子极限，研究团队综合发展了一系列技术。基于这些技术，研究人员在基于NV色心的固态自旋体系中成功地突破了标准量子极限。其中，在真实噪声环境下，利用双量子比特和三量子比特对相位的测量，其灵敏度分别突破了标准量子极限1.79dB和2.77dB；利用双量子比特对真实磁场的测量，其灵敏度突破了标准量子极限0.87dB。

这一成果所采用的技术有很多实际的应用，对于NV色心在生命科学、凝聚态物理等领域的应用有重要推动作用，有助于新现象新规律的发现。这项研究发展的技术，可以很自然地推广到其他固态自旋体系，对于固态体系量子精密测量和量子计算的发展都具有基础性的推动作用。

（原载于《科技日报》 2021-08-16 03版）