纠缠的自旋让钻石拥有量子优势

杰伊奇及其团队在量子物理与材料科学的交叉领域开展研究，探索钻石中被称为自旋量子比特的精确原子级缺陷如何被设计用于先进量子传感。该团队的杰出研究员莉莲·休斯近期刚完成博士学业，即将前往加州理工学院从事博士后工作，她在这一领域取得了重大突破。

通过三篇合作论文——一篇于3月发表在《PRX》，两篇于10月发表在《自然》——休斯首次证明，在钻石内部，不仅单个量子比特，大量量子缺陷的二维系综也能被组织并实现纠缠。这一成果标志着固态系统在实现可测量的量子传感优势方面迈出了里程碑式的一步，为下一代量子器件开辟了新道路。

### 钻石中量子缺陷的设计
休斯解释道：“我们能够在钻石中创建氮-空位（NV）中心自旋的构型，控制其密度和维度，使其紧密排列并深度限制在二维层中。而且，由于我们可以设计缺陷的取向，就能让它们表现出非零的偶极相互作用。”这一成果构成了《PRX》上那篇题为《（111）取向钻石中强相互作用的二维偶极自旋系综》研究的基础。

NV中心是由一个氮原子取代碳原子，同时相邻位置存在一个碳原子缺失形成的空位构成。杰伊奇表示：“NV中心缺陷具有一些特性，其中之一是一种叫做自旋的自由度——这是一个基本的量子力学概念。对于NV中心来说，自旋的寿命非常长。这些长寿命的自旋状态使NV中心可用于量子传感，自旋会与我们试图探测的磁场发生耦合。”

### 从MRI到量子传感
利用自旋作为传感器的概念可追溯到20世纪70年代磁共振成像（MRI）的发展。杰伊奇解释说，MRI的工作原理是控制质子的排列和能量状态，检测它们弛豫时发出的信号，从而形成内部结构的图像。

“之前在固态系统中进行的量子传感实验都只利用了单自旋或非相互作用的自旋系综，”杰伊奇说，“而此次的新突破在于，由于莉莲能够培育和设计出这些强相互作用的致密自旋系综，我们实际上可以利用它们的集体行为，这带来了额外的量子优势。我们能够借助量子纠缠现象来提高信噪比，从而获得更高的灵敏度，实现更优的测量。”

### 钻石对量子传感器的重要性
休斯展示的这种 entanglement辅助传感此前已有研究，但仅在气相原子系统中实现。“理想情况下，对于许多目标应用而言，传感器应易于集成且能贴近被研究系统，”杰伊奇说，“用钻石这样的固态材料比气相原子传感器（例如GPS所基于的传感器）更容易做到这一点。此外，原子传感器需要大量辅助硬件来约束和控制，如真空室和多台激光器，这使得原子传感器很难贴近蛋白质至纳米尺度，从而无法实现高空间分辨率成像。”

杰伊奇的团队尤其专注于利用钻石基量子传感器研究材料的电子特性。“你可以将材料目标放置在钻石表面的纳米尺度范围内，从而使它们非常接近亚表面的NV中心，”杰伊奇解释道，“因此，这种钻石量子传感器很容易与各种有趣的目标系统集成，这也是该平台如此令人兴奋的重要原因。”

### 以量子精度探测材料与生物学
“这种固态磁传感器在探测生物系统等方面非常有用，”杰伊奇说，“核磁共振（NMR）就是基于探测来自生物系统等中组成原子的微弱磁场。如果你想了解新材料，无论是电子材料、超导材料还是磁性材料（这些材料可能有多种应用），这种方法也很有用。”

### 克服量子噪声
每一次测量都受到噪声的限制，噪声会制约测量精度。一种被称为量子投影噪声的基本噪声形式设定了所谓的标准量子极限——非纠缠传感器无法超越这一极限。如果科学家能设计传感器之间的特定相互作用，就能突破这一界限。其中一种方法是自旋压缩，它通过关联量子态来减少不确定性。

“这就好比你试图用一把刻度间隔为一厘米的米尺去测量东西，这些间隔一厘米的刻度实际上就是你测量中的噪声幅度。你不会用这样的米尺去测量变形虫的大小，因为变形虫比一厘米小得多。”杰伊奇说，“通过压缩——即降低噪声——我们实际上是利用量子力学相互作用来‘挤压’这把米尺，相当于创造出更精细的刻度，从而能够更精确地测量更小的物体。”

展望未来，杰伊奇对这些原理在实际系统中的应用充满信心。“我认为预见的技术挑战不会阻碍在不久的将来在有用的传感实验中展示量子优势，”她说，“主要是要增强信号放大或增加压缩量。一种方法是控制二维平面内自旋的位置，形成规则的阵列。”

“这里存在一个材料方面的挑战，因为我们无法精确控制自旋的掺入位置，它们在平面内的分布 somewhat random。”杰伊奇补充道，“这正是我们目前正在研究的问题，最终我们希望能让这些自旋形成网格，每个自旋之间保持特定的距离。这将有助于解决在传感中实现实际量子优势的一个突出挑战。”