MIT研究团队发现量子比特系统扩展新方案

基于掺杂金刚石中的氮-空位体系（NV色心）的谱学技术，具有超高的探测本领，在物理、化学、生物等不同的学科领域均具有广泛而重要的应用前景。我们本着分享和服务的宗旨，根据顶级期刊、权威新闻对部分相关文章进行中文导读。欢迎大家在本文下方留言区进行留言讨论，如内容有错误疏漏之处，也欢迎各位专家学者补充及批评指正，共同提高本系列文章内容服务质量。

1、MIT研究团队发现量子比特系统扩展新方案

该研究实验证明通过调控量子探针周围环境中的自旋缺陷，来扩展量子器件。实验中，研究人员基于金刚石中的单NV色心，识别、定位并控制了两组电子-核自旋缺陷。通过不同磁场下的谱学测量，成功提取出了一些超精细和偶极相互作用张量的未知参数，利用这些参数对两个自旋缺陷进行定位，并设计控制序列用以初始化、操纵和读出其量子态。基于以上研究成果，研究人员还尝试构建了三个电子自旋间的量子相干，实现了真正的三方纠缠。该研究结果对于构建用于量子精密测量及量子信息处理的多自旋量子寄存器具有重要意义。

Novel method for easier scaling of quantum devices

Rob Matheson | MIT News Office   March 5, 2020

http://news.mit.edu/2020/scaling-quantum-devices-quibits-0306

Identification and Control of Electron-Nuclear Spin Defects in Diamond

Cooper, A,et al. Phys.Rev.Lett.124.083602(2020)

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.083602

2、NV色心磁力传感器助力微流体漂移速度监测

近期有研究表明，金刚石中的NV色心是一种优秀的纳米级磁力计。用NV色心作量子传感器，近来的一个发展方向是用于检测微量样品的核磁共振（NMR）谱。由于微量样品净极化率低于经典仪器的信噪比，传统的核磁仪器无法对微量样品进行检测。NV色心在退相干实验谱图中，可显示扩散粒子的磁噪声信息，其为测量不同物理参数提供了一种新的谱学方法。经研究证明，流动液体中的 NV 色心也能感应到类似的噪声。然而，当扩散效应产生的噪声高于流动噪声的话，流速信息就会无法得到准确估计。

鉴于此，研究者们基于NV色心研制出了一种用于测量流动路径表面的漂移速度，且不会对被测物质造成损坏的磁场量子传感装置。他们对不同测量方案的灵敏度进行了详细的分析，结果显示，即使扩散噪声占主导地位，该研究中的纳米尺度测速方案也是要优于当前的荧光测试方法。此外，该方案还可用于微流道的研究，尽管微流体的漂移速度通常较低且目前流动特性尚无定论，但是在未来基于NV色心更好地了解这些特性，对于微流体和纳流体技术研究将大有裨益。

Utilising NV based quantum sensing for velocimetry at the nanoscale.

Daniel cohen,et al. Scientific Report  10:5298(2020)

https://www.nature.com/articles/s41598-020-61095-y

3、自由基等电子顺磁物质的动态量子监测新突破

电子顺磁物质（PS）在新陈代谢、细胞标记和免疫反应等生理过程中都起着重要的作用，例如自由基和顺磁性金属蛋白，可用来对一些生物系统的疾病状态作标记，并以此探测生命系统中氧化还原反应等信息。近日，研究者们通过实验发现了一种新的探测方法——利用金刚石中NV色心的光致发光（PL）原理，无需微波，可快速、无损、高效地探测生物系统中的电子顺磁物质。这种方法不仅可以实时监测混合溶液中的顺磁性盐浓度，动态跟踪特定条件下的氧化还原反应，还可以利用一些特定元素作标记，如使用含有Gd标记的磷脂的脂质膜，在自然环境下对顺磁性物质在细胞内进行亚细胞分辨率的成像。这种对顺磁物质快速、灵敏的成像方法，可以扩展到生物医学领域，为微创、实时地观测细胞环境中的自由基测量及定位成像开辟新途径。

Dynamic Quantum Sensing of Paramagnetic Species Using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond

Radu, V., et al. ACS Sens. 2020 Mar 27;5(3):703-710.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7106109/

4、量子钻石单自旋谱仪技术及应用综述

单量子态的探测与调控及分子尺度的成像技术是精密谱学仪器发展的重要方向。随着对磁探测技术的深入探索，国仪量子自主生产研发的量子钻石单自旋谱仪，基于掺杂金刚石中的氮-空位体系的谱学技术，具有超高的磁探测本领，在物理、化学、生物、材料、医学等不同的学科具有广泛而重要的应用前景。

目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位(NV色心)发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，谱仪具有以下特点:

1、初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出;NV色心的基电子自旋态可以通过光跃迁进行量子态的初始化和读出，利用微波进行量子态的操控。

2、自旋量子相干时间长,长相干时间能够保证较长的相干操控及光信号积累。

3、超高灵敏度与超高分辨率;由于NV色心的光学性质及其电子波函数特性，制备的单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达10-9 T量级，NV色心系综甚至达到了10-13 T量级，其磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。

4、可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性。

5、具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50 ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。下文图4为装置拓扑图，谱仪配套了高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验。

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