基于固态纠缠单自旋体系实现突破标准量子极限的精密测量

Precise metrology is one of the bases for the development of modern science. Based on the principle of quantum mechanics and aiming at the Heisenberg limit, the realization of precise measurement that beats the standard quantum limit (SQL) is a research focus in this area. Quantum mechanics imposes restrictions on measurement, but also provides new ideas: conventional measurement methods are restricted by the SQL, but harnessing quantum resources properly can beat SQL and approach the Heisenberg limit which means higher precision. Experimental researches for beating SQL in some physical systems such as trapped ions, photons, and a nuclear spin ensemble have been reported. The single spin of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has some special superiority such as long coherence time at room temperature. The NV center has attracted extensive and deep researches, and has been utilized for magnetometry with single-molecular sensitivity and nanoscale resolution. However, experimental studies of beating the SQL that involve this physical system remain unfruitful. This program stems from our research foundation and directions, and plans to prepare multi-qubit entanglement and beat SQL based on the single solid-state spins of an NV center in diamond. We will carry out the research through design of experimental schemes, theoretical analysis and calculation, preparation of a multi-qubit sample, preparation of entanglement, detection of signals using entangled states, and so on.

精密测量是现代科学发展的基础之一。基于量子力学原理，以海森堡极限为目标、实现突破标准量子极限的精密测量是此方向的一个研究重点。量子力学既为测量施加了限制，也提供了新思路：常规的测量方法受到标准量子极限的制约；而合理利用量子力学资源则可以突破该极限，趋于更高精度的海森堡极限。囚禁离子、光子及核自旋系综等多个体系都已有突破标准量子极限的实验报道。金刚石中氮-空位色心的单自旋具有室温下量子相干时间长等独特优势，近年来被广泛而深入地研究并用于单分子灵敏度和纳米分辨率的精密磁测量。然而目前基于这一物理体系的突破标准量子极限的实验研究成果仍为空白。本项目立足于我们的研究基础和科学方向，计划基于氮-空位色心这一固态单自旋体系，制备多比特纠缠态，实现突破标准量子极限的精密测量。我们拟从方案设计、理论计算、多比特样品制备、纠缠态制备、利用纠缠态对信号进行检测等方面开展此项研究。

本项目研究目标是基于固态纠缠单自旋体系实现突破标准量子极限的精密测量，计划分步实现（1）制备得到多比特耦合量子体系； 掌握实验方案及理论模拟计算的方法；（2） 制备 NOON 等量子纠缠态，并掌握高保真度纠缠制备的技术；（3） 实现突破标准量子极限的信号测量。（4）在国际高水平刊物上发表论文 5~10 篇，培养研究生 3~5 名。..项目按计划进行，完成了即定的研究目标，并有相应的重要科学成果产出。.与上述预期研究结果对应，（1）实验体系方面，制备了多比特耦合量子体系并对其参数进行检测；（2）技术方面，完成谱仪的建设及相关的软硬件调试；实现了形状脉冲操控技术，完成了核自旋高保真度的初态制备、操控和读出；完成两比特纠缠态的制备；（3）实验方面，实现突破标准量子极限的信号测量；在基于金刚石氮-空位色心量子精密测量技术发展及交叉应用方向产出一系列重要科研成果，包括单分子磁共振探测、高分辨零场谱学新方法、纳米分辨能力的电场探测等；（4）产出一系列重要科学成果，发表论文18篇，其中一区论文10篇，包括Nature Methods一篇、Nature Communications两篇、Physical Review Letters四篇、Science Advances两篇、NPJ Quantum Information一篇等；获授权专利3项；培养博士毕业生5名（与杜江峰教授共同指导），毕业后均继续在国内外科研领域工作，其中两人获得国家博士后创新人才支持计划资助。..研究团队因在量子精密测量领域的系统性实验成果获得2018年教育部自然科学一等奖[杜江峰、石发展等（第二完成人）]。项目执行期间，负责人石发展获得基金委优青、中组部万人计划青年青年拔尖人才、和中科院青促会优秀会员等人才项目资助；获2017年度国际顺磁共振学会青年研究学者奖（自1994年创立以来首位获奖华人）以及2017年度贝时璋青年生物物理学家奖等。