[论文解读] Subnanotesla quantum-interference magnetometry with a single spin in diamond

Andreas Angerer, Tobias Nöbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 21被引用 5

一句话总结

本论文通过使用单个氮-vacancy (NV) 中心在同素纯化金刚石中，利用双光子拉比脉冲相干驱动 |+1⟩ 和 |-1⟩ 态之间的跃迁，实现了亚纳特斯拉的量子干涉磁力计。该方法在振荡磁场下实现了 2.2 nT/Hz¹/² 的磁场灵敏度，在静态磁场下实现了 800 pT 的 Allan 方差，相较于传统的 |0⟩–|−1⟩ 量子比特操作，显著提升了相干性和稳定性。

ABSTRACT

We demonstrate a magnetometry technique using nitrogen-vacancy centres in diamond which makes use of coherent two-photon transitions. We find that the sensitivity to magnetic fields can be significantly improved in isotopically purified diamond. Furthermore, the long-term stability of magnetic field measurements is significantly enhanced, thereby reducing the minimum detectable long-term field variations for both quasi-static and periodic fields. The method is useful both for sensing applications and as a spin qubit manipulation technique.

研究动机与目标

• 提高基于 NV 中心的量子磁力计的磁场灵敏度和长期稳定性。
• 通过使用 |±1⟩ 自旋亚能级态而非传统的 |0⟩–|−1⟩ 基矢，减少 NV 中心中的退相干。
• 证明在自旋-1 系统中，通过相干双光子驱动可实现增强的相干性，并降低对应变和横向磁场涨落的敏感性。
• 通过在单个 NV 中心中设计量子干涉，实现对静态和周期性磁场的高灵敏度探测。

提出的方法

• NV 中心被初始化在 |0⟩ 态，并通过类似 STIRAP 的双光子微波脉冲，利用失谐的拉比频率 Ω₊ 和 Ω₋，相干驱动至 |+1⟩ 和 |-1⟩ 态的叠加态。
• 施加 30 mT 的轴向磁场偏置，以最小化对横向磁场涨落和应变的耦合，从而稳定 |±1⟩ 量子比特态。
• 在旋转框架中设计系统的哈密顿量，以在 |+1⟩ 和 |-1⟩ 之间形成有效两能级系统，相干耦合由失谐微波场介导。
• 通过在 Ω₊ 和 Ω₋ 上施加对称的高斯形脉冲的重相位序列，测量相干时间 T₂(±1)，从而实现长相位累积。
• 通过光子散粒噪声和相干性衰减推导出最小可检测磁场振幅，两个系统均测得 p ≈ 2.0。
• 使用 Allan 方差评估长期稳定性，在相同环境条件下比较 |0⟩–|−1⟩ 和 |±1⟩ 基矢下的直流与交流测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石 NV 中心中，通过在 |+1⟩ 和 |-1⟩ 态之间进行相干双光子驱动，是否能显著提高自旋相干时间，相比标准的 |0⟩–|−1⟩ 基矢？
• RQ2 |±1⟩ 量子比特态配置是否能降低对应变和横向磁场涨落的敏感性，从而提升磁场传感性能？
• RQ3 使用 |±1⟩ 亚能级态在多大程度上改善了对静态和周期性磁场的最小可检测场？
• RQ4 当使用 |±1⟩ 量子比特态而非 |0⟩–|−1⟩ 态时，磁场测量的长期稳定性如何随积分时间变化？
• RQ5 |±1⟩ 基矢中的共模噪声抑制是否能实现长时间范围内的散粒噪声极限交流磁力计？

主要发现

• 在 |±1⟩ 量子比特基矢中，相干时间 T₂(±1) 达到 (2.36 ± 0.09) ms，显著优于传统 |0⟩–|−1⟩ 基矢中的 T₂(0,−1) = (1.66 ± 0.16) ms。
• 在 |±1⟩ 基矢中，振荡磁场的最小可检测场降低至 2.2 nT/Hz¹/²，而 |0⟩–|−1⟩ 基矢中为 6 nT/Hz¹/²。
• 在约 30 分钟的积分时间内，静态磁场测量的 Allan 方差在 |±1⟩ 基矢中达到 800 pT，而 |0⟩–|−1⟩ 基矢中仅在约 1 分钟后达到 10 nT。
• |±1⟩ 系统的相干性衰减指数 p 测得为 2.02 ± 0.10，|0⟩–|−1⟩ 系统为 2.03 ± 0.38，表明衰减形状相似，但 |±1⟩ 情况因 T₂ 更长而性能更优。
• 使用 |±1⟩ 基矢的交流磁力计实现了散粒噪声极限行为，30 分钟间隔的 Allan 方差约为 50 pT，仅受光子统计和测量时长限制。
• 性能提升源于对对应变和横向磁场涨落的敏感性降低，以及 |±1⟩ 量子比特亚能级中的共模噪声抑制。