用量子纠缠实现微型多比特传感

钻石中的氮空位（NV）中心被广泛用作局部磁传感器，通过单量子比特控制能以纳米级空间分辨率测量时间平均磁场和噪声。当从单量子比特控制发展到多量子比特控制时，可实现新的传感模式，例如测量非局域时空关联器或利用纠缠态提高测量灵敏度。本文介绍了将光学上无法分辨的NV中心对和核自旋用作多量子比特传感器，以在纳米长度尺度测量相关噪声的方案。对于非相互作用的NV中心，研究人员实施了一种相位循环协议，该协议能将磁关联与方差波动区分开。其利用第三个量子比特（13C核）实现相干的单NV自旋翻转，即使对于光谱上无法分辨的共线NV中心，也能实现相位循环。在约10纳米的长度尺度上，通过两个NV中心之间的偶极-偶极耦合创建最大纠缠贝尔态，并利用这些纠缠态直接读取磁场关联，而非通过未纠缠NV中心的独立测量来重建。重要的是，这将灵敏度随读出噪声的缩放关系从二次变为线性。对于NV中心自旋态的常规非共振读出（其读出噪声约为量子投影极限的30倍），这种方法使灵敏度提升超过一个数量级。最后，研究人员展示了利用强相互作用的NV中心对检测高时空分辨率关联器的方法。