高空间分辨量子传感与成像
科学的进步离不开测量技术的发展，而微纳尺度下对物理量的测量和成像更是在凝聚态物理、纳米科学、生命科学等前沿基础研究和应用科学中有重要意义。在这些应用场景中，人们所面临的测量信号通常具有空间尺度极小、信号强度极弱、容易受到外界扰动等特点。
金刚石中的氮-空位（NV）色心等固态自旋在近年来被广泛用于量子传感和测量的研究。它是由金刚石中一个氮杂质和相邻的空位组成，具有尺寸小、室温下相干时间长、光学性质稳定等优点。通过对氮-空位色心的荧光进行探测，我们可以得到其自旋态的信息。利用这些性质，国际上研究人员探索基于氮-空位色心的电磁场、温度、应力等物理量的微纳尺度传感与成像。
我们研究固态自旋的操控与探测方法，聚焦提高固态自旋量子传感的空间分辨率与灵敏度，目标是将固态自旋量子传感用于发现小尺度下新物理现象、探索新物理机制、发展新的测量技术等科学研究和生产活动中。当前的主要研究内容包括：1，结合光场调控与量子比特操控，发展基于氮-空位色心等固态自旋的超光学衍射极限分辨率成像与传感新技术；2，研究氮-空位色心的自旋操控与探测方法，通过相干保护、荧光增强等手段提升微纳量子传感器的灵敏度，发展极弱电磁信号测量的新方法；3，利用极高空间分辨率的量子传感，研究亚波长空间内的光与物质相互作用，探索微观尺度下材料相变等物理现象与机制。
Highlight亮点工作：
1，对固态自旋量子比特的成像与操控分辨率达到4.1纳米
光学远场成像技术被用于固态自旋等量子比特的操控与探测。然而传统的光学成像方法分辨率受到衍射极限的限制，通常只能达到300纳米左右。我们研究光泵浦下氮-空位色心的电荷态转换，并利用紧聚焦下的光场调制，使用拉盖尔-高斯光束对电荷态进行操控，实现突破光学衍射极限的电荷态耗尽（CSD）成像技术。使用50毫瓦的泵浦激光实现对氮-空位色心4.1纳米分辨率的成像。分辨率达到衍射极限的1/86，与诺贝尔奖获得者S.Hell所发明的受激辐射耗尽成像术接近，而泵浦功率则仅为后者的1/100。我们利用红外光辅助电荷态转换，进一步将泵浦光功率降低约30倍。这种高空间分辨率、低泵浦功率的成像方法被后续用于生物成像、量子传感等研究。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/lsa20153
新闻报道：
https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20151131193236535380.shtm
2，实现突破衍射极限分辨的电磁场量子传感
我们将电荷态耗尽成像与氮-空位色心的自旋态探测与操控结合，发展高分辨率电磁场传感，对纳米光电器件性能进行表征。使用637纳米的空心光束为电荷态耗尽光，我们设定激光功率和泵浦时间使其对氮-空位色心探测的分辨率达到50纳米。我们对一维纳米线的局域光场态密度、磁场等多种信息进行了测量，实现高空间分辨率的多模传感与成像。一方面高空间分辨率的传感使探测信号的分布变得更清晰；同时，一些较弱的信号也得以通过高分辨率传感被探测到。结果表明超衍射极限分辨的量子传感提升了对纳米尺度物理量测量的准确度，使我们得以在小尺度更准确的研究新物理现象。
论文链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044039
新闻报道
http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2019-10/22/content_805024.shtml
3，高空间分辨率量子传感揭示深亚波长尺度下的电磁场局域现象
为了追求与物质的强相互作用，纳米科学需要实现极小尺度的电磁场局域和检测，推动纳米加工、信息存储、生物传感、微波光子学和量子信息等技术的发展。我们将超分辨量子传感技术用于对纳米尺度微波场矢量的探测。实验上，通过探测纳米线周围局域微波场(波长：10.4厘米)泵浦下不同轴向氮-空位色心电子的自旋跃迁，观察到微波信号可以被局域在纳米线附近约291纳米区域内，相当于其波长的10-6。进一步测量其矢量信息，发现该深亚波长的局域来自于一维纳米导电材料中电子运动的近场辐射。基于该实验结果，我们设计了金属纳米线-蝴蝶结天线结构，用于对自由空间微波场收集、局域并增强与电子自旋的相互作用。观察到此结构可将局域微波能量增强8个量级，提高与自旋相互作用强度4个量级。该成果将高空间分辨率量子传感成功应用在纳米科学研究中，为探索纳米尺度下的电磁场与物质相互作用提供了一种有效工具。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26662-5
新闻报道：
http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-11/09/content_1230887.shtml
4，金刚石量子传感器实现量子增强的微波测距
基于微波信号测量的雷达定位技术在自动驾驶、健康检测、地质勘探等活动中有广泛应用。我们结合微纳米分辨力的量子传感与电磁场的深亚波长局域，发展高灵敏度微波探测和高精度微波定位技术。我们设计了金刚石自旋量子传感器与金属纳米结构组成的复合微波天线，将自由空间弱信号的探测转换为对纳米尺度下电磁场与固态自旋相互作用的探测，提高了固态量子传感器的微波信号测量灵敏度3-4个量级。通过固态自旋探测物体反射微波信号，我们得到物体的位置信息。同时利用固态自旋量子探针与微波光子相干相互作用，实现了量子增强的位置测量精度，达到10微米水平（约波长的万分之一）。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36929-8
新闻报道：
https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/3/373716.shtm
https://phys.org/news/2023-04-team-quantum-enhanced-microwave-ranging.html
5，量子成像对微纳尺度材料相变的研究
VO2是一种在室温（68度左右）发生的绝缘体-金属相变的材料，基于其制备的忆阻器被认为可以用于进行模拟神经网络行为等研究。基于氮-空位色心阵列对微纳米尺度磁场的探测，我们对VO2材料的绝缘体-金属相变进行测量，观察到光热效应导致的微米尺度局域导电细丝的产生，并研究了相变对温度、电流、光强的依赖特性。通过对光泵浦强度、位置等参数的设置，我们实现对导电细丝的状态调控。进一步结合氮-空位色心量子传感器对器件电导属性的直接成像，我们对VO2模拟人工神经突触器件的性能进行了测量，演示了对信号的记忆效应，有助于人工神经网络的研究。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg9376
量子传感是一种利用量子态演化与测量来实现高灵敏度检测的技术，它代表了第二次量子革命的一部分。尽管在微观物理世界中取得了很多成果，甚至突破了经典测量极限，但在将基本量子传感原理应用于实际场景时，确实面临了许多技术挑战。以下是一些关键的性能指标和挑战：
1、传感灵敏度：传感器的灵敏度是指其能够检测和测量微小变化的能力。
2、传感精度：传感器的精度是指其测量结果与真实值之间的偏差。
3、传感动态范围：动态范围是传感器能够测量的最大和最小物理量的范围。
4、传感采样率与带宽：高采样率和宽带宽对于实时监测和快速变化的信号至关重要。
5、传感空间分辨率：空间分辨率是指传感器能够位置区分的最小变化量。
6、传感器的鲁棒性：在实际应用中，传感器必须能够处理不稳定环境和干扰。
受限基本物理定律：光学衍射极限、奈斯奎特采样定律、标准或者海森堡量子极限、光学散粒噪声极限等制约，上述量子传感指标之间形成复杂互相制约关系。总之，将量子传感技术广泛应用于实际场景需要解决多个性能指标之间的平衡，并应对复杂的技术挑战。这需要综合考虑量子物理学、工程和计算方法，以开发出具有高性能和鲁棒性的量子传感器，从而在各种应用领域中发挥其潜力。目前研究广泛的量子传感物理载体有原子蒸汽、超导量子干涉仪、离子阱以及以金刚石氮空位色心为代表的固态自旋等。在这些传感器中，氮空位色心是室温下量子传感物理载体的典型代表，并且基于激光和微波实现的NV色心电子自旋量子态操控和探测，可以实现对磁场、温度、电场、应力等物理量的精密测量。
Highlight亮点工作（续）：
6，利用量子纠缠提升多个NV色心传感器性能
如果在实验上扩展到多个NV色心，就可以利用量子关联资源提升NV传感灵敏度。利用量子关联资源，原则上可以到海森伯量子探测极限，即测量精度反比于粒子数；而不利用量子关联资源只能到达经典量子极限，即测量精度反比于粒子数的平方根。可以看出参与的粒子数越多，量子关联资源的优越性越能体现出来。但是实际利用量子关联资源过程往往也伴随噪声，使其不能达到量子海森伯探测极限。理论研究表明，如果环境是马尔可夫类型的或者记忆时间十分短，那么利用多粒子量子关联态相对于经典独立多次重复实验，在测量结果精度方面不会有质的提升。但是对于NV色心而言, 环境噪声主要来源于组成金刚石晶格核自旋。由于电子自旋与核子相互作用的形式具有关于时间反演对称性，如果调整电子自旋演化方向，电子自旋的相干信息就会回流回来。这种准静态的噪声在频域上分布决定了信息回流强度，结合现有的动力学去耦手段可以使其性能得到很好的抑制，进而提高量子操作与量子传感的性能。理论研究发现：如果噪声的频谱是Gauss线型，两阶动力学去耦序列就可以使量子传感海森伯测量极限恢复至反比于粒子数的N11/12；如果噪声的频谱是洛伦兹线型，一阶动力学去耦就可以使量子关联态的测量精度恢复至反比粒子数的N5/6。 总之，抑制非马尔可夫的环境噪声后，就可以极大提高NV色心测量物理场的灵敏度，并且这种提高灵敏度的方法可以通过基于NV色心的混合量子器件进行展示。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.052322
https://www.nature.com/articles/s41534-017-0053-z
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.214103
7，提出评价函数优化量子传感操作序列
在量子传感方案中，未知的所需信号与量子传感器相互作用，其物理量可以储存在传感器量子相位中。一旦传感设备被固定，实际检测灵敏度便由不同操作决定，并受到理想操作下系统的内在灵敏度的限制。目前，基于动力学解耦合的多脉冲操作，如CPMG、XY4和KDD等，是最重要且灵活的方法，可以在实际量子传感中提供超灵敏的检测。然而，不完美的操作会对感知协议的性能产生显著影响，甚至可能产生虚假信号。而且，在实验中的实际灵敏度总是比具有一些脉冲误差的内在灵敏度差。我们提出了一种有效的量子传感评价函数，用于评估操作的性能并诊断基于DD序列的多脉冲量子感知中的不完美来源。我们发现评价函数可以展示了量子操作的质量，通过一个简单的关系将实际灵敏度与内在灵敏度联系起来。此外，在这个评估函数的指导下，我们可以参数化控制脉冲的相位和持续时间，并通过实验测试进行优化，以满足内在灵敏度的高保真度和鲁棒性要求。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.104104
https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1898792
8，实验实现基于量子纠缠提升量子测量性能
几何量子计算分为绝热和非绝热两种方式。我们借助于量子最速演化路径方程，可以进一步缩短非绝热演化路径的几何长度，是量子门操作更快，完成单位时间更多数目的量子操作。实验借助金刚石中的NV色心基态三能级展示了基于非绝热高保真的几何量子计算。实验中对现有的量子计算协议修正，优化以往量子门操作过程对应演化路径长度。与之前旧的协议对比，新的计算协议平均操作时间缩短20%以上，有效提高施加量子门的速度。实验表明利用拓展的非绝热几何量子计算可以在较短的时间，完成既定量子操作，且具有较高的保证度。在基于几何高保真度普适量子操作门集的基础上，我们借助金刚石固态自旋体系磁耦级相互作用，实现两粒子最大纠缠态的制备，磁场测量。实验发现纠缠态比完全可分态对磁场响应灵敏，是后者的两倍，实验突破了经典无关探测测量极限，可以提高磁场测量精度。通过仔细分析实验运行所需时间，新的几何量子操作方法可以节约制备量子纠缠态时间，提高测量带宽。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.043177
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.024060
9，基于李萨如图拓展量子干涉仪动态测量范围
在精密测量和量子计量学领域，干涉信号所固有的2π周期性为同时实现高测量灵敏度和测量范围设定了根本性限制。然而，在这里，我们基于Lissajous曲线的扩展周期，成功研发出一项方法，彻底打破了这种灵敏度与最大测量范围的制约。以电子自旋在钻石中的应用测量磁场为例，我们成功将最大测量范围扩展了2个数量级，同时不损害检测灵敏度和带宽，而只需足够长的测量时间。此外，我们还能够精确检测时间变化的周期波形，其中更大的测量范围能够实现高精度，并在相干范围内呈现出一种类似于海森堡的缩放效应。这基于Lissajous曲线的测量范围扩展方法可以直接应用于任何其他受模限制的量子干涉仪，为实际量子计量学提供了有用且不可或缺的支持。
论文链接：
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064022
10，表面涂层的高灵敏度、宽带宽光纤耦合金刚石磁力计
不同材料和结构的磁场映射可以为活动探测和特征分析的广泛应用提供强有力的手段。我们在几百微米的尺度提出了一个高灵敏度和宽带宽的光纤量子磁力计，跟踪脉冲光学检测的磁共振频谱允许103pT/Hz1/2的磁场灵敏度和2.6kHz的带宽。此外，通过在金刚石表面涂覆银反射膜的方法，荧光收集效率和激发效率都得到了显著提高，灵敏度和带宽有望进一步提高到50pT/Hz1/2和4.1kHz。最后，利用光纤量子磁强计作为探针，成功地绘制了载流铜线网所产生的磁场。这种稳定而紧凑的磁力计可以为物理，化学和生物研究的许多领域提供强大的工具。
论文链接：
https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-9-2191&id=497597
11，一种高鲁棒性的NV色心-光纤量子温度计
金刚石中的氮空位中心由于对不同物理量的敏感，在量子传感中得到了广泛的应用。同时，在实际应用中很难从不需要的物理量中分离出干扰。在这里，我们提出了一种基于光纤的量子温度计，通过跟踪高密度氮空位系综中零场光学检测磁共振谱的急剧下降。该方案不仅可以有效地隔离磁场和微波功率漂移，而且可以提高温度灵敏度。由于其简单和兼容性的实现和鲁棒性，该量子温度计随后应用于电子芯片的表面温度成像，灵敏度为18mK/Hz1/2。因此，它为在模糊环境中进行高灵敏度温度测量铺平了道路。
论文链接：
