حسگری نانو مقیاسی چند‑کوبیتی با درهم‌تنیدگی به‌عنوان منبع

چکیده

مراک‌های نقص نیتروژن (NV) در الماس به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان حسگرهای مغناطیسی محلی به‌کار گرفته می‌شوند؛ با استفاده از کنترل تک‑کوبیتی، هر دو میدان میانگین‌گیری‌شده در زمان و نویز را با وضوح فضایی در مقیاس نانو اندازه‌گیری می‌کنند¹. پیشرفت از کنترل تک‑کوبیتی به کنترل چند‑کوبیتی، امکان به‌دست آوردن روش‌های حسگری نوینی را فراهم می‌آورد؛ از جمله‌ اندازه‌گیری همبستگی‌های فضازمانی غیرمحلی² یا بهره‌گیری از حالت‌های درهم‌تنیده برای افزایش حساسیت اندازه‌گیری³. در اینجا پروتکل‌هایی را برای استفاده از جفت‌های NV که به‌صورت نوری قابل تمییز نیستند و اسپین‌های هسته‌ای به‌عنوان حسگرهای چند‑کوبیتی برای اندازه‌گیری نویز همبسته در مقیاس‌های نانومتری توصیف می‌کنیم. برای مراکز NV غیرتعامل‌کننده، پروتکل دوره‌چرخش فاز را پیاده می‌کنیم که همبستگی‌های مغناطیسی را از نوسانات واریانس جدا می‌سازد؛ با استفاده از حضور یک کوبیت سوم، یعنی هسته ¹³C، وارونگی‌های همزمان تک‑NV را به‌صورت همبسته انجام می‌دهد و حتی برای مراکز NV هم‌جهت که به‌صورت طیفی غیرقابل تمییز هستند، امکان دوره‌چرخش فاز را فعال می‌سازد. در مقیاس‌های حدود ۱۰ نانونمتری، حالت‌های بل به‌حداکثر درهم‌تنیده را از طریق کوپلینگ دو‑قطبی (dipole–dipole) بین دو مرکز NV ایجاد می‌کنیم و از این حالت‌های درهم‌تنیده برای خواندن مستقیم همبستگی میدان مغناطیسی استفاده می‌کنیم، به‌جای بازسازی آن از طریق اندازه‌گیری‌های مستقل مراکز NV بدون درهم‌تنیدگی. به‌طور مهم، این تغییر مقیاس‌گذاری حساسیت نسبت به نویز خوانش را از رابطه درجه دو به خطی تغییر می‌دهد. برای خوانش غیر‑رزونانسی معمولی حالت اسپین مرکز NV (که در این حالت نویز خوانش تقریباً ۳۰ برابر حد پروجکشن کوانتومی است)، این منجر به بهبود حساسیت بیش از یک مرتبه ترتیبی می‌شود. در نهایت، روش‌هایی را برای شناسایی همبستگی‌های با وضوح فضایی و زمانی بالا با استفاده از جفت‌های NV که به‌شدت با یکدیگر تعامل دارند، نشان می‌دهیم.

دسترس‌پذیری داده‌ها

داده‌های پشتیبان یافته‌های این مطالعه در Harvard Dataverse در دسترس هستند (https://doi.org/10.7910/DVN/23TSVE).

مراجع

1. Rovny, J. et al. حسگرهای کوانتومی الماس نانو مقیاس برای فیزیک چندبدنی. Nat. Rev. Phys. 6, 753–768 (2024).

2. Rovny, J. et al. مغناطیس‌سنجی کوواریانس نانو مقیاس با حسگرهای کوانتومی الماس. Science 378, 1301–1305 (2022).

3. Bollinger, J. J., Itano, W. M., Wineland, D. J. & Heinzen, D. J. اندازه‌گیری‌های بهینه فرکانس با حالت‌های به‌حداکثر همبسته. Phys. Rev. A 54, R4649–R4652 (1996).

4. Eldredge, Z., Foss‑Feig, M., Gross, J. A., Rolston, S. L. & Gorshkov, A. V. پروتکل‌های اندازه‌گیری بهینه و ایمن برای شبکه‌های حسگر کوانتومی. Phys. Rev. A 97, 042337 (2018).

5. Song, X. et al. برآورد فاز غیرجانبدار. Phys. Rev. Lett. 132, 260801 (2024).

6. Szańkowski, P., Trippenbach, M., Cywiński, Ł. & Band, Y. B. پویایی دو کوبیت درهم‌تنیده در معرض نویز کلاسیک: نقش همبستگی‌های نویز فضایی و زمانی. Quantum Inf. Process. 14, 3367–3397 (2015).

7. Norris, L. M., Paz‑Silva, G. A. & Viola, L. طیف‌سنجی نویز کوبیت برای محیط‌های تفکیک‌پذیری غیر‑گاوسی. Phys. Rev. Lett. 116, 150503 (2016).

8. Du, J., Shi, F., Kong, X., Jelezko, F. & Wrachtrup, J. طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی در مقیاس تک‑مولکول با استفاده از حسگرهای کوانتومی الماس. Rev. Mod. Phys. 96, 025001 (2024).

9. Allert, R. D., Briegel, K. D. & Bucher, D. B. پیشرفت‌ها در طیف‌سنجی NMR نانو‑ و میکرو‑مقیاس با حسگرهای کوانتومی الماس. Chem. Commun. 58, 8165–8181 (2022).

10. Machado, F., Demler, E. A., Yao, N. Y. & Chatterjee, S. طیف‌سنجی نویز کوانتومی برای پدیده‌های بحرانی دینامیکی. Phys. Rev. Lett. 131, 070801 (2023).

11. Ziffer, M. E. et al. طیف‌سنجی نویز کوانتومی برای کاهش سرعت بحرانی در مغناطیس لایه‌یک‌بعدی. Preprint at arxiv.org/abs/2407.05614 (2024).

12. Li, S. et al. مشاهده انتقال فاز مغناطیسی مهندسی‌شده در سلول‌های سوپر‌سل موئره‌ای مغناطیس‌های پیچیدهٔ وان‌در-والس. Nat. Commun. 15, 5712 (2024).

13. Xue, R. et al. نشانه‌های هیدرودینامیک مگنون در یک فرومغناطیس لایه‌یک‌بعدی. Preprint at arxiv.org/abs/2403.01057 (2024).

14. Kolkowitz, S. et al. بررسی نویز جانسون و حمل گلوله‌ای در فلزات عادی با یک کوبیت تک‑اسپین. Science 347, 1129–1132 (2015).

15. Ariyaratne, A., Bluvstein, D., Myers, B. A. & Jayich, A. C. B. تصویر‌سازی هادیگی الکتریکی نانو مقیاس با استفاده از یک مرکز نیتروژن‑واکنسی در الماس. Nat. Commun. 9, 2406 (2018).

16. Andersen, T. I. et al. ناپایداری الکترون‑فونون در گرافن که توسط پروب‌های نویز سراسری و موضعی آشکار شد. Science 364, 154–157 (2019).

17. Curtis, J. B. et al. بررسی انتقال رهایی ورتکس برزیانسکی‑کسترلیک‑تولیس در ابررساناهای دو‑بعدی با استفاده از مغناطیس‌سنجی نویز محلی. Phys. Rev. B 110, 144518 (2024).

18. Chatterjee, S., Rodriguez‑Nieva, J. F. & Demler, E. تشخیص فازهای عایق‌های مغناطیسی با استفاده از مغناطیس‌سنجی نویز و کوبیت‌های اسپینی. Phys. Rev. B 99, 104425 (2019).

19. Ji, W. et al. حسگری همبستگی با یک سامانه چندحسگر کوانتومی در حالت جامد برای تحلیل ساختاری در مقیاس اتمی. Nat. Photon. 18, 230–235 (2024).

20. Delord, T., Monge, R. & Meriles, C. A. طیف‌سنجی همبستهٔ نویز الکتریکی با خوشه‌های مراکز رنگی. Nano Lett. 24, 6474–6479 (2024).

21. Lucas, A. & Fong, K. C. هیدرودینامیک الکترون‌ها در گرافن. J. Phys. Condens. Matter 30, 053001 (2018).

22. Liu, Z. et al. طیف‌سنجی نویز کوانتومی برای دینامیک ابررسانایی در فیلم نازک Bi₂Sr₂CaCu₂O_{8+δ}. Preprint at arxiv.org/abs/2502.04439 (2025).

23. Huxter, W. S., Dalmagioni, F. & Degen, C. L. میکروسکوپی اسکن چندگانه با حسگرهای اسپینی دو‑کوبیتی. Phys. Rev. Lett. 135, 153801 (2024).

24. Chen, X. et al. دستکاری نوری زیرپراش برای حالت بار مرکز نیتروژن‑واکنسی در الماس. Light Sci. Appl. 4, e230–e230 (2015).

25. Chen, E. H., Gaathon, O., Trusheim, M. E. & Englund, D. تصویربرداری گسترده چندطیفی با ابر‑وضوح با استفاده از فلورسانس وابسته به اسپین در نانو‌الماس‌ها. Nano Lett. 13, 2073–2077 (2013).

26. Braunschweiler, L. & Ernst, R. انتقال همدلی توسط مخلوط‌سازی ایزوتروپیک: کاربرد در طیف‌سنجی همبستگی پروتون. J. Magn. Reson. 53, 521–528 (1983).

27. Shields, B. J., Unterreithmeier, Q. P., de Leon, N. P., Park, H. & Lukin, M. D. خواندن کارآمد یک حالت تک‑اسپین در الماس از طریق تبدیل اسپین به بار. Phys. Rev. Lett. 114, 136402 (2015).

28. Pfender, M. et al. طیف‌سنجی با وضوح بالا از اسپین‌های هسته‌ای تک‌تک با استفاده از اندازه‌گیری‌های ضعیف متوالی. Nat. Commun. 10, 594 (2019).

29. Epstein, R. J., Mendoza, F. M., Kato, Y. K. & Awschalom, D. D. تعامل‌های ناهمسانگی یک تک‌اسپین و طیف‌سنجی اسپین تاریک در الماس. Nat. Phys. 1, 94–98 (2005).

30. Takács, I. & Ivády, V. تنسورهای هیپرفین دقیق برای کاربردهای کوانتومی در حالت جامد: مورد مرکز NV در الماس. Commun. Phys. 7, 178 (2024).

31. Sangtawesin, S. et al. ریشه‌های نویز سطحی الماس که با همبستگی اندازه‌گیری‌های تک‑اسپین و طیف‌سنجی سطحی بررسی شد. Phys. Rev. X 9, 031052 (2019).

32. Gullion, T., Baker, D. B. & Conradi, M. S. دنباله‌های جدید Carr‑Purcell جبران‌شده. J. Magn. Reson 89, 479–484 (1990).

33. Kolkowitz, S., Unterreithmeier, Q. P., Bennett, S. D. & Lukin, M. D. حسگرهای اسپین هسته‌ای دوردست با یک اسپین الکترونی. Phys. Rev. Lett. 109, 137601 (2012).

34. Taminiau, T. H. et al. تشخیص و کنترل اسپین‌های هسته‌ای منفرد با استفاده از اسپین الکترونی به‌صورت ضعیف متصل. Phys. Rev. Lett. 109, 137602 (2012).

35. Zhao, N. et al. حسگرهای تک اسپین هسته‌ای دوردست. Nat. Nanotechnol. 7, 657–662 (2012).

36. Gaebel, T. et al. کپلینگ همدلی تک‑اسپین‌ها در الماس در دمای اتاق. Nat. Phys. 2, 408–413 (2006).

37. Neumann, P. et al. رجیستری کوانتومی مبتنی بر اسپین‌های الکترونی متصل در یک جامد دمای اتاق. Nat. Phys. 6, 249–253 (2010).

38. Dolde, F. et al. درهم‌تنیدگی بین تک‑اسپین‌های نقص در الماس در دمای اتاق. Nat. Phys. 9, 139–143 (2013).

39. Dolde, F. et al. درهم‌تنیدگی اسپین با دقت بالا با استفاده از کنترل بهینه. Nat. Commun. 5, 3371 (2014).

40. Lee, J. et al. کنترل حالت پوشیدهٔ تعامل دیپولار مؤثر بین اسپین‌های جامد‑حالت به‌صورت قوی متصل. npj Quantum Inf. <