优化钻石作为量子传感器

钻石一直因其美丽而备受珍视，并且是已知最坚硬的天然材料。通过在其晶格中引入氮原子，它还可以转变为卓越的量子传感器。相关的晶体缺陷被称为氮空位 (NV) 中心，它们赋予此类传感器前所未有的电磁场灵敏度和出色的空间分辨率。然而，迄今为止，为利用这些传感器而设计的实验平台的适用性有限，因为传感速度和分辨率难以同时优化。现在，两个研究团队——一个由加州大学伯克利分校的 Shimon Kolkowitz 领导，另一个由普林斯顿大学的 Nathalie de Leon 领导——已经独立开发出一种并行操纵和测量 100 多个 NV 中心的方法。该方法扩展了使用 NV 传感器探测量子现象的可能性，使得测量与凝聚态物理和材料科学相关的非局域特性（例如空间和时间相关性）成为可能。

当一个氮原子取代金刚石晶格中的一个碳原子，并与碳原子空位相邻时，就会形成NV中心。氮原子和空位共同捕获电子，由此产生的带负电荷的NV中心的电子自旋为1，使其成为一个三能级量子系统。这些能级的能量对磁场和电场的微小变化以及温度和应变高度敏感。目前，NV传感实验要么涉及一个可以高空间分辨率感知变化的孤立NV中心，要么涉及一组灵敏度更高但分辨率更低的NV中心。因此，使用NV中心的不同方法会在测量速度、空间分辨率和对单个NV中心的控制水平之间进行权衡。

一种示例技术称为扫描探针NV显微镜，其中使用包含单个NV中心的微米级金刚石悬臂进行原子力显微镜。该策略提供了出色的空间分辨率，因为分辨率由NV中心到样品的距离决定，而该距离最终由NV中心相对于金刚石表面的深度决定。然而，该方法速度较慢，并且同时集成多个NV传感器具有挑战性。

为了利用多个NV中心实现量子传感，可以使用相机读取每个缺陷的自旋态。该方法提供了宽场成像功能，可以解析样品的微观磁、电和热特性。大量的NV中心引入了放大效应，与单个NV中心相比，其场灵敏度和测量速度更高。然而，这种宽场方法的空间分辨率较低——这从根本上受到光学衍射极限的限制。

Kolkowitz 和 de Leon 研究团队开发的量子传感平台解决了这一难题。它不仅提供了出色的空间分辨率和局部可控性，还能并行操控和读取多个 NV 中心，从而建立了一种用于实现多路复用测量的先进量子传感协议。

为了开发他们的方法，Kolkowitz 和同事使用了一种能够探测单光子的专用相机，并行读取多个 NV 中心的电荷和自旋态。该策略利用 NV 电荷态测量的超高精度和保真度，将自旋信息转换为电荷信息。与传统方法相比，该过程显著提高了光学对比度、测量速度和灵敏度。

为了证明该技术的有效性，Kolkowitz 团队对 108 个 NV 中心进行了并行测量。具体来说，研究人员利用微波脉冲制备不同状态的 NV 中心子群，同时测量了 108 个 NV 中心之间 5778 个独特的相关系数。结果与研究人员的理论预测高度一致。这种方法特别适合快速筛选具有特定属性（例如所需的自旋方向或相干时间）的 NV 中心。它还可能用于测试与 NV 中心强耦合的碳-13 原子核的存在。这些原子由于其较长的相干时间，可用于量子存储器应用。它还可以用于检测目标 NV 自旋之间的经典成对相关性。

与此同时，德莱昂及其同事对约100个NV中心的磁共振、拉比振荡和自旋弛豫进行了并行测量。为此，他们使用低噪声相机同时探测多个NV中心。该团队还演示了通过自旋-电荷转换实现NV自旋态的多路复用低噪声读出。这一进展对于提升NV中心的传感能力至关重要，为同时测量NV中心之间统计相关性（称为皮尔逊相关性）开辟了途径。

De Leon 及其同事证明，利用他们的方法可以定量重建由承载相位随机交流电流的导线驱动的噪声相关性。具体而言，研究人员测量了与相对于导线位于不同位置的五个 NV 中心相关的磁场噪声之间的相关性，这些相关性与他们的理论计算结果相符。这一发现表明，该方法可用于以纳米级精度表征大样本区域内的磁场及其潜在相关性。

这两项开创性的研究无疑将为量子传感与计量、量子控制和量子信息领域的前沿研究带来激动人心的机遇。团队的创新传感工具将为利用最先进的磁力仪测量多个NV中心之间的关联性奠定基础，从而深入了解关联材料的固有长度尺度和时间尺度。

该方法甚至可以扩展到研究固态材料中表现出突发现象的奇异关联，例如拓扑材料中类似流体动力学的电子流、非常规超导体中关联的拓扑电子态、扭曲或堆叠范德华超晶格中的工程二维磁性，以及量子自旋液体中的受挫磁性。该技术背后的物理原理具有普遍性，可以很容易地应用于NV中心以外的量子自旋缺陷，例如碳化硅中的双空位和硅空位中心，以及嵌入范德华晶体中的二维色心。这样的应用将为开发下一代量子技术提供多样化的技术平台。