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我國首次在固態(tài)體系實(shí)現(xiàn)突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測量

摘要:據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)處獲悉,該校中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展等人,基于金剛石固態(tài)單自旋體系在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測量,該成果日前發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

  ICC訊 記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,該校中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展等人,基于金剛石固態(tài)單自旋體系在室溫大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的磁測量,該成果日前發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

  測量是人類認(rèn)知自然的重要手段,很多測量行為都受到一個(gè)叫做標(biāo)準(zhǔn)量子極限的限制,但這并非最本質(zhì)的極限,可以利用量子糾纏突破這一限制,并逼近一個(gè)更根本的極限——海森堡極限。在過去幾十年里,離子阱、原子系綜、光子等很多體系都已經(jīng)展示了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的能力,其中一些已應(yīng)用于光鐘和引力波探測等領(lǐng)域。

  近期發(fā)展起來的固態(tài)單自旋體系——金剛石中的氮—空位色心(NV色心),得益于固態(tài)晶格的保護(hù),其可以很好地工作在室溫大氣環(huán)境下。然而,固態(tài)晶格在保護(hù)NV色心的同時(shí),其本身相較于真空也是一種更復(fù)雜、混亂的環(huán)境。這使得確定性地制備自旋純態(tài)、高保真度的自旋操控等都變得十分困難,因此盡管在該體系上有一些與標(biāo)準(zhǔn)量子極限相關(guān)的工作,但突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限仍未實(shí)現(xiàn)。

  為了突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限,研究團(tuán)隊(duì)綜合發(fā)展了一系列技術(shù)?;谶@些技術(shù),研究人員在基于NV色心的固態(tài)自旋體系中成功地突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限。其中,在真實(shí)噪聲環(huán)境下,利用雙量子比特和三量子比特對(duì)相位的測量,其靈敏度分別突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限1.79dB和2.77dB;利用雙量子比特對(duì)真實(shí)磁場的測量,其靈敏度突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限0.87dB。

  這一成果所采用的技術(shù)有很多實(shí)際的應(yīng)用,對(duì)于NV色心在生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的應(yīng)用有重要推動(dòng)作用,有助于新現(xiàn)象新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)研究發(fā)展的技術(shù),可以很自然地推廣到其他固態(tài)自旋體系,對(duì)于固態(tài)體系量子精密測量量子計(jì)算的發(fā)展都具有基礎(chǔ)性的推動(dòng)作用。

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