研究人员利用钻石内部的微观缺陷来构建一个由三个量子比特组成的链（如图所示为带箭头的小圆圈），可用于量子传感。他们从一个中心缺陷开始，将其与附近的缺陷耦合，然后利用第二个缺陷来发现并控制第三个缺陷。图片来源：麻省理工学院
在量子传感中，原子级量子系统用于测量电磁场以及旋转、加速度和距离等属性，比经典传感器精确得多。例如，该技术可以使设备以前所未有的细节对大脑进行成像，或者使空中交通管制系统具有精确的定位精度。
随着许多现实世界的量子传感设备的出现，一个有前途的方向是利用钻石内部的微观缺陷来创建可用于量子传感的“量子比特”。量子比特是量子设备的构建块。
麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出一种技术，使他们能够识别和控制更多的这些微观缺陷。这可以帮助他们建立一个更大的量子比特系统，可以以更高的灵敏度执行量子传感。
他们的方法建立在钻石内部的一个中心缺陷之上，称为氮空位 （NV） 中心，科学家可以使用激光检测和激发它，然后用微波脉冲进行控制。这种新方法使用特定的微波脉冲协议来识别并将该控制扩展到激光无法看到的其他缺陷，这些缺陷称为暗自旋。
研究人员试图通过连接自旋网络定位它们来控制更多的暗自旋。从这个中央NV自旋开始，研究人员通过将NV自旋耦合到附近的暗自旋来构建这条链，然后使用这个暗自旋作为探针来寻找和控制NV无法直接感知的更远的自旋。该过程可以在这些更远的自旋上重复，以控制更长的链。
“我从这项工作中学到的一个教训是，当你看不到结果时，在黑暗中搜索可能会非常令人沮丧，但我们能够承担这种风险。只要有勇气，就可以在人们以前没有看过的地方进行搜索，并找到可能更有利的量子比特，“Alex Ungar说。
Ungar 是麻省理工学院电气工程和计算机科学专业的博士生，也是量子工程小组的成员，是一篇关于这项技术的论文的主要作者，该论文于 2 月 7 日发表在 PRX Quantum 上。
他的合著者包括他的导师和通讯作者，核科学与工程系福特工程学教授兼物理学教授Paola Cappellaro;以及滑铁卢大学量子计算研究所的高级研究科学家亚历山大·库珀（Alexandre Cooper）;以及Won Kyu Calvin Sun，他是Cappellaro小组的前研究员，现在是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士后。
金刚石缺陷为了建立NV中心，科学家们将氮注入钻石样品中。
但是，将氮引入钻石会在周围环境中产生其他类型的原子缺陷。其中一些缺陷，包括NV中心，可以承载所谓的电子自旋，这些自旋起源于缺陷部位周围的价电子。价电子是原子最外层的电子。缺陷与外部磁场的相互作用可用于形成量子比特。
研究人员可以利用这些来自相邻缺陷的电子自旋，在单个NV中心周围创建更多的量子比特。这种较大的量子比特集合称为量子寄存器。拥有更大的量子寄存器可以提高量子传感器的性能。
其中一些电子自旋缺陷通过磁相互作用连接到NV中心。在过去的工作中，研究人员利用这种相互作用来识别和控制附近的自旋。然而，这种方法是有局限性的，因为NV中心只能在很短的时间内保持稳定，这一原理称为相干性。它只能用于控制在此相干限制内可以达到的少数自旋。
在这篇新论文中，研究人员使用NV中心附近的电子自旋缺陷作为探针来寻找和控制额外的自旋，从而创建由三个量子比特组成的链。
他们使用一种称为自旋回波双共振（SEDOR）的技术，该技术涉及一系列微波脉冲，这些脉冲将NV中心与与之相互作用的所有电子自旋解耦。然后，他们有选择地施加另一个微波脉冲，将NV中心与附近的一个自旋配对。
与NV不同，这些相邻的暗自旋不能被激光激发或偏振。这种极化是用微波控制它们的必要步骤。
一旦研究人员发现并表征了第一层自旋，他们就可以通过同时将微波应用于两个自旋，通过磁相互作用将NV的极化转移到第一层自旋。然后，一旦第一层自旋极化，他们就在第一层自旋上重复SEDOR过程，将其用作探针来识别与之相互作用的第二层自旋。
控制一连串的黑暗旋转这种重复的SEDOR过程使研究人员能够检测和表征位于NV中心相干极限之外的新的、独特的缺陷。为了控制这种更远的自旋，他们小心翼翼地施加一系列特定的微波脉冲，使它们能够将极化从NV中心沿链转移到第二层自旋。
“这为为建立更大的量子寄存器到更高层的自旋或更长的自旋链奠定了基础，并且还表明我们可以通过扩大这种技术来发现这些以前没有发现的新缺陷，”Ungar说。
为了控制自旋，微波脉冲必须非常接近该自旋的共振频率。由于温度或振动，实验装置中的微小漂移可能会使微波脉冲产生。
Ungar说，研究人员能够优化他们的协议以发送精确的微波脉冲，这使他们能够有效地识别和控制第二层自旋。
“我们正在寻找未知的东西，但与此同时，环境可能并不稳定，所以你不知道你发现的是否只是噪音。一旦你开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个方向上。但在你到达那里之前，这是一个信仰的飞跃，“卡佩拉罗说。
虽然他们能够有效地演示三自旋转链，但研究人员估计，他们可以使用当前的协议将他们的方法扩展到第五层，这可以提供对数百个潜在量子比特的访问。通过进一步优化，它们可能能够扩展到 10 层以上。
未来，他们计划继续改进他们的技术，以有效地表征和探测环境中的其他电子自旋，并探索可用于形成量子比特的不同类型的缺陷。
更多信息：Alexander Ungar 等人，超越中心自旋相干极限的环境自旋缺陷的控制，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.010321
