Fig. 1 Dinámica y control de un único centro NV. (A) Diagrama de un solo centro NV en diamante. Es impulsado por varios rayos láser y controlado coherentemente por pulsos de MW y RF. Cuadrado:láser verde de 532 nm al cuadrado para la lectura del espín del electrón NV y los estados de carga de mezcla; picado:secuencia de láser picado para una mejor polarización del espín del electrón sin destruir el estado de carga; fuerte:láser naranja fuerte (4 μW) de 594 nm para lectura del estado de carga en tiempo real; débil:láser naranja débil (0,18 μW) para lectura de un solo disparo del estado de carga. El espín del electrón NV (S =1), el espín nuclear de 14N concomitante (I =1), y uno de los espines nucleares de 13C distribuidos aleatoriamente (I =1/2) constituye el interferómetro. (B) Diagramas de nivel de los estados neutrales y negativos de NV indicados por NV− y NV0 y la dinámica correspondiente impulsada por el láser verde de 532 nm y el láser naranja de 594 nm. (C) Estructura del nivel de giro del estado fundamental del triplete NV−. Los pulsos de MW y RF se utilizan para manipular coherentemente el espín del electrón NV y dos espines nucleares (14N y 13C). (D) Medición proyectiva del espín nuclear 13C. La línea discontinua indica el umbral para determinar en qué estado permanece. Crédito:DOI:10.1126 / sciadv.abg9204
Muchas mediciones están limitadas por el límite cuántico estándar (SQL). SQL se define como los niveles de ruido medidos establecidos por la mecánica cuántica. El entrelazamiento cuántico se puede utilizar para vencer a SQL y acercarse a un límite máximo llamado límite de Heisenberg (HL). Se han realizado mediciones sub-SQL en muchos sistemas en condiciones extremas y los sensores de estos sistemas no son adecuados para mediciones realistas en condiciones ambientales.
Los centros de vacancia de nitrógeno (NV) en el diamante se pueden utilizar como sensores para resonancia magnética nuclear y electrónica. Pueden funcionar bien en condiciones ambientales debido a la protección de la red cristalina sólida. Todo un proceso de medición sub-SQL basado en un único centro de NV incluye la inicialización de los giros de NV, enredo en condiciones ambientales, detección de cantidades físicas, y lectura de resultados. Ahora surgieron dificultades en la inicialización y el entrelazamiento de NV.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Du Jiangfeng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China realizó una medición sub-SQL en condiciones ambientales con centros NV en diamante, y descubrió que el uso de sensores entrelazados puede vencer a SQL y realizar mediciones más precisas. Este estudio fue publicado en Avances de la ciencia .
Los investigadores aplicaron una técnica de retroalimentación en tiempo real para inicializar los giros a un estado altamente puro, y logró la inicialización conjunta del estado de carga NV, espín de electrones, y dos giros nucleares con alta fidelidad.
Reemplazaron el láser de pulso cuadrado con una secuencia de láser cortada para la polarización del espín del electrón, mejorando la fidelidad del láser correspondiente del 90% al 97,7%.
Adicionalmente, los investigadores optimizaron las configuraciones de los experimentos para controlar mejor las condiciones experimentales. A través de una configuración sofisticada para el aislamiento térmico y parámetros adecuados de diferenciación de integración de proporción (PID) para la retroalimentación, se dieron cuenta de una fluctuación de temperatura relativamente baja de 0,5 mK durante los experimentos y un campo magnético muy estable con una volatilidad de 1 ppm.
Este trabajo abre nuevas perspectivas para la investigación de sistemas de espín de estado sólido, y sienta las bases para la computación y la detección cuántica.
