构建更好的量子传感器

该模式在这里被描述为光子腔的谐振模式，但我们可以使用多种系统（例如，微波或机械模式）。玻色子模式的能量衰减率为 κ ，并且每个自旋可以分别以速率 γ rel或 γφ 经历局部弛豫或移相过程。来源：PRX 量子(2022)。DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030330

通常，钻石中的缺陷是一件坏事。但对于工程师而言，钻石原本坚硬的晶体结构中的微小光点正在为突破当今技术超灵敏量子传感器铺平道路。现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员开发了一种优化这些量子传感器的方法，该方法可以检测磁场或电场中的微小扰动等。

他们发表在PRX Quantum上的新方法利用了钻石或半导体中的缺陷表现得像量子比特（量子信息的最小单位）的方式。

“研究人员已经在使用这种量子比特来制造令人惊叹的传感器，”这项新工作的作者 Aashish Clerk 教授说。“我们所做的是想出一种更好的方法，从这些量子比特中获取较多的信息。”

完美的钻石由排列在重复晶格中的碳原子组成。用其他原子（如氮原子）替换其中一个原子，新的独立原子位于钻石坚硬结构中间的方式赋予了它独特的量子特性。周围环境的微小变化，从温度到电力，改变了这种“固态缺陷”旋转和储存能量的方式。

研究人员发现，他们可以向其中一个量子位发射光，然后测量光是如何偏转和释放的，以探测其量子态。通过这种方式，他们可以将其用作量子传感器。

然而，分析来自固态缺陷的信息是很棘手的，特别是当许多这样的量子位嵌入一个传感器时。随着每个量子位释放能量，该能量会改变附近量子位的行为。

“所有量子比特都以一种有趣的方式相互关联，这在经典上是没有意义的，”Clerk 说。“一个量子位的作用与其他量子位的作用密切相关。”

此外，当光照射在量子比特上足够长的时间时，它会重置为基态，从而丢失其中编码的任何信息。

Clerk 与包括新论文的作者、博士后研究员 Martin Koppenhöfer 在内的同事开始就量子比特如何相互作用的物理学提出一个基本问题。在这项研究的过程中，他们发现了一种从固态缺陷量子比特中获取信息的新技巧。

当固态缺陷网络在光子爆发中释放能量时，研究人员通常会在释放能量时掩盖量子比特的确切性质。他们转而关注这次突然爆发之前和之后的数据。

然而，Clerk 的小组发现，关于量子位的更敏感信息被编码在这种能量释放中（称为“超辐射自旋衰减”）。

“人们认为所有的量子比特一开始都很兴奋，都放松了，这看起来真的很无聊，”他说。“但我们发现量子比特之间存在细微的差异；它们并非都完全兴奋，它们也不会完全同步放松。”

通过关注超辐射自旋衰减中那个长期被忽视的时间点，Clerk 和他的团队展示了存储在固态缺陷中的信息是如何被放大的。

对于试图开发测量从磁场（用于更好地导航或分析分子结构）到活细胞内温度变化的一切事物的量子传感器的工程师来说，新方法提供了急需的灵敏度改进。

“在过去，这些传感器中非常嘈杂的量子比特读数确实限制了一切，”Clerk 说。“现在，这种机制让你进入一个不关心嘈杂的读数的阶段；你专注于在它之前编码的更有价值的数据。”

他的团队现在正在计划未来的研究，如何通过区分每个量子比特的数据，而不是从整个纠缠中读取一个读数，从而进一步提高固态缺陷的敏感性。他们认为他们的新方法使这一目标比过去更容易实现。

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