打破固態(tài)極限，首次實(shí)現(xiàn)室溫金剛石自旋擠壓！
在量子科學(xué)的探索中，如何在固態(tài)材料中實(shí)現(xiàn)可控糾纏，一直是最棘手的挑戰(zhàn)之一。相比原子、離子等“干凈”的量子系統(tǒng)，固態(tài)自旋材料雖然在傳感和應(yīng)用端更具潛力，但由于缺乏單粒子精細(xì)操控、排布隨機(jī)、環(huán)境噪聲強(qiáng)烈，始終難以突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限。尤其是在宏觀自旋體系里，想要制造并探測(cè)出真正“有用”的多體糾纏狀態(tài)，更是科學(xué)界長期攻關(guān)的難題。
近日，哈佛大學(xué)Norman Y. Yao教授聯(lián)合加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校Ania C. Bleszynski Jayich教授首次在室溫金剛石氮-空位中心（NV center）自旋體系中，實(shí)現(xiàn)了自旋擠壓這一標(biāo)志性量子糾纏效應(yīng)。他們利用固有的磁偶極-偶極相互作用，在二維自旋層中生成 -0.50 ± 0.13 dB 的量子壓縮態(tài)，成功把量子投影噪聲壓低到非糾纏極限以下。這意味著，未來基于NV色心的量子傳感器，或?qū)⒂瓉碚嬲牧孔釉鰪?qiáng)時(shí)代。相關(guān)成果以“Spin squeezing in an ensemble of nitrogen–vacancy centres in diamond”為題發(fā)表在《Nature》上。中國學(xué)者Weijie Wu和 Emily J. Davis為第一共同作者。
扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)：從經(jīng)典到量子
研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是一個(gè)僅有7 nm厚的金剛石層，內(nèi)部分布著約160個(gè)NV色心（圖1a）。每個(gè)NV色心都可以看作一個(gè)電子自旋系統(tǒng)，并能通過光學(xué)方法進(jìn)行初始化與讀出（圖1b）。當(dāng)研究人員把這些自旋“準(zhǔn)備”在特定方向后，體系會(huì)在自發(fā)的偶極-偶極相互作用下演化，表現(xiàn)出類似“單軸扭轉(zhuǎn)模型”（OAT）的動(dòng)力學(xué)特征（圖1c）。具體來說，一個(gè)初始偏轉(zhuǎn)角為 φo 的自旋態(tài)，會(huì)繞著z軸發(fā)生進(jìn)動(dòng)，其角度 φp 隨時(shí)間線性增加（圖1d）。這看似“經(jīng)典”的動(dòng)力學(xué)，卻為后續(xù)量子投影噪聲的剪切和壓縮埋下了伏筆。換句話說，雖然體系存在位置無序，但在短時(shí)間內(nèi)，這種集體動(dòng)力學(xué)仍能模擬出標(biāo)準(zhǔn)自旋擠壓過程，為量子糾纏的生成創(chuàng)造條件（圖1c,d）。
圖1：強(qiáng)相互作用二維NV自旋層的扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。
讀出新方法：噪聲“看不見”，卻能量到
如何證明體系中真的出現(xiàn)了量子擠壓？這是研究的第二個(gè)難題。傳統(tǒng)NV體系的熒光讀出精度有限，往往被光子散粒噪聲淹沒，遠(yuǎn)未達(dá)到“投影噪聲極限”。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地提出了一種“相互作用輔助的噪聲譜學(xué)”方案：讓體系在不同旋轉(zhuǎn)角度 θ 下演化，然后通過整體自旋的衰減時(shí)間 T2 來反推投影噪聲大?。▓D2a,b）。直觀來說，如果體系的投影噪聲更小，那么它的集體自旋就能維持更長的相干時(shí)間（圖2c,d）。通過這一方法，研究人員不僅在無序偶極模型中驗(yàn)證了模擬預(yù)測(cè)（圖2e,f），還在實(shí)驗(yàn)中成功測(cè)量到了橢圓形分布的投影噪聲（圖2g,h）。最終，他們觀察到在演化約3.2 μs時(shí)，最小噪聲降低達(dá)1.45 ± 0.14 dB（圖2i,j），為后續(xù)真正實(shí)現(xiàn)擠壓態(tài)奠定了基礎(chǔ)。
圖2：相互作用輔助的投影噪聲讀出
無序的阻礙：強(qiáng)耦合“團(tuán)伙”的破壞性
然而，事情并沒有想象中那么簡單。由于NV色心在晶格中的位置是隨機(jī)的，常常會(huì)形成一些“強(qiáng)耦合二聚體”，它們的動(dòng)力學(xué)遠(yuǎn)快于整體體系。這些“團(tuán)伙”帶來的后果是：集體自旋長度快速衰減，卻對(duì)投影噪聲的降低幫助不大。結(jié)果就是，雖然看到了噪聲減小，但量子擠壓參數(shù) ξn² 卻始終大于1，無法證明真正的糾纏增強(qiáng)（圖3a,b）。為了解決這一瓶頸，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種“格點(diǎn)工程”方法（圖3c,d）：一種是通過頻率選擇性微波脈沖，把強(qiáng)耦合的二聚體“隔離”到不參與動(dòng)力學(xué)的能級(jí)（shelving）；另一種是施加強(qiáng)橫場(chǎng)并緩慢退火，讓二聚體發(fā)生絕熱去極化（depolarization）。這兩種方式，本質(zhì)上都是要“清除掉攪局者”，只保留更有序的子群體參與擠壓過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這樣的處理顯著延緩了自旋衰減（圖3e,f），而剩余自旋群體的投影噪聲仍然能正常剪切，呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的橢圓分布（圖3g,h）。這意味著，困擾多年的“無序詛咒”終于被部分破解。
圖3：通過格點(diǎn)工程降低位置無序
突破時(shí)刻：固態(tài)自旋擠壓的誕生
當(dāng)格點(diǎn)工程手段與相互作用輔助讀出結(jié)合，研究人員終于捕捉到歷史性的一幕：自旋壓縮參數(shù) ξn² 在演化約1.6 μs時(shí)降至0.89（即-0.50 dB），明確進(jìn)入“量子增強(qiáng)”區(qū)域（圖4c,f）。這也是首次在室溫、固態(tài)NV色心體系中實(shí)現(xiàn)自旋擠壓。值得一提的是，兩種方法（shelving與depolarization）都成功復(fù)現(xiàn)了這一結(jié)果（圖4a–f），且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬高度吻合。這不僅驗(yàn)證了理論預(yù)言，也為后續(xù)放大擠壓量、提升傳感靈敏度提供了方向。
圖4：在NV體系中實(shí)現(xiàn)自旋擠壓。
總結(jié)與展望
這項(xiàng)工作，標(biāo)志著量子增強(qiáng)傳感從“原子氣室”正式跨入了“固態(tài)芯片”的新階段。研究人員指出，如果能進(jìn)一步提升NV色心的定向排布精度（比如利用離子注入或退火工藝），并在測(cè)量端接近投影噪聲極限，那么基于金剛石的量子傳感器就能在生物成像、材料探測(cè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的靈敏度。更重要的是，這種“去無序+讀出新法”的組合思路，并不限于金剛石。無論是極冷原子氣體、光晶格分子，還是Rydberg體系，都可能借鑒這一方法，在嘈雜背景中挖掘出真正的量子資源。換句話說，這不僅是一次實(shí)驗(yàn)突破，更是一次“量子材料工程”的范式創(chuàng)新。
本文轉(zhuǎn)載自 高分子科學(xué)前沿 公眾號(hào)
