8 月 13 日訊息據中國科大官網，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展等人基於金剛石固態單自旋體系在室溫大氣環境下實現了突破標準量子極限的磁測量。

瞭解到，該成果以“Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins”為題發表在近期 Science Advances 上。

▲金剛石中的單個氮-空位色心示意圖，圖中展示了實驗中使用的各類鐳射、微波、射頻等調控手段 | 圖自中國科大官網，下同

為了突破標準量子極限，實驗上需要同時在氮-空位色心的電荷態初始化、電子自旋初始化、核自旋初始化、微波射頻脈衝操控和自旋測量等方面達到高保真度，具有很高的難度。研究團隊綜合發展了一系列技術，攻克了這一難題。在初始化方面，首次在室溫下確定性地實現了 NV 電荷態、電子自旋態以及核自旋態的聯合初始化；通過前選擇反饋控制的方法，對電荷狀態進行確定性的製備，將 NV-比例從 74.3% 提高到 99.42%；採用脈衝光極化的方法，將電子極化度從使用連續光照射下的 90% 提高到 97.74%，該方法與電荷態初始化可同時相容，可在幾乎不破壞電荷態的情況下完成對電子自旋態的初始化。在量子操控方面，實驗使用了形狀脈衝的操控方法代替簡單的方波脈衝，非局域門的保真度估值超過了 0.99。在實驗條件方面，實現了 0.5mK 的溫度穩定性和 1ppm 的磁場穩定性。

基於以上技術，研究人員在基於 NV 色心的固態自旋體系中成功地突破了標準量子極限。其中，在真實噪聲環境下，利用雙量子位元和三量子位元對相位的測量，其靈敏度分別突破了標準量子極限 1.79 dB 和 2.77 dB；利用雙量子位元對真實磁場的測量，其靈敏度突破了標準量子極限 0.87 dB。

▲（a）電子自旋、核自旋和電荷態確定性聯合初始化序列；（b）進行糾纏干涉測量的量子線路圖；（c）量子費舍爾資訊與量子位元數；（d）對磁訊號測量的漲落與重複次數的關係；（e）雙量子位元糾纏干涉中自旋態和電荷態初始化、自旋操控等各部分保真度。

據介紹，這一工作所採用的技術有很多實際的應用，例如可以進一步提高單個 NV 色心的測磁靈敏度，基於單自旋初始化、操控、檢測等各項技術的提升可使單個 NV 色心自旋的測磁靈敏度優於 1nT/Sqrt (Hz)。更高的靈敏度可以讓我們更快速、更精細地對目標進行精密檢測，這對 NV 色心在生命科學、凝聚態物理等領域的應用有重要推動作用，有助於新現象新規律的發現。該工作發展的技術可以很自然地推廣到其它固態自旋體系，對於固態體系量子精密測量和量子計算的發展都具有基礎性的推動作用。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/32/eabg9204