量子信息科学研究人员面临的最大难题之一是量子比特系统固有的不稳定性。量子叠加态本质上非常脆弱，任何来自量子比特局部环境的干扰，包括热激发、机械振动或杂散电磁场，都可能产生有害影响。这些噪声量子比特更容易产生错误，而主动纠错是任何潜在的大规模量子计算机的严格要求。相比之下，量子传感是量子信息科学（QIS）的另一个子领域，旨在将这一重大障碍转化为优势。量子比特对其环境极其敏感，因此，量子比特也是优秀的传感器。 原子系统 就像被捕获的离子和中性原子可以作为优秀的电磁场测量仪、重力仪和力计一样，最流行的磁场传感系统之一是利用金刚石晶格中捕获的缺陷。一个由……领导的研究团队 罗纳德·乌布利希博士 的展览。 马克斯普朗克聚合物研究所 德国美因茨的一家公司正在研究提高固态磁力仪灵敏度的新技术。为了进行这项研究，该团队使用了 Moku:Pro，这是一款可重构设备，提供一套软件定义的测试和测量仪器。具体来说，该团队利用 自定义仪器，一款适用于所有 Moku 设备的工具，允许用户快速部署自定义 FPGA 功能，可以独立使用，也可以与 Moku 套件中的任何其他仪器配合使用。该团队使用自定义模块生成复杂的正弦波模式，并结合新颖的检测方案，提高了基于 NV 中心的磁力仪的室温灵敏度。他们的研究成果最近发表在 物理复习应用.
面临挑战
当金刚石样品受到电子辐照时，会从晶格中弹出少量碳原子，从而产生带负电荷的氮空位（NV）中心。当样品被加热到高温时，这些空位会与天然存在的氮原子结合，形成NV中心。NV中心具有许多优异的性质，例如在室温下具有很高的稳定性，并且可以通过光学方法进行寻址。此外，由于被包裹在金刚石晶格中，它们对环境具有极强的适应性，能够在各种极端条件下工作。利用NV中心探测磁场的一种方法是光探测磁共振（ODMR）。与传统的磁共振类似，在NV中心上施加一个微弱的磁场，导致自旋亚能级之间发生能级分裂（如图1所示），然后用微波信号（~3 GHz）驱动这些亚能级之间的跃迁。对系统施加 532 nm 激光脉冲会将自旋从基态激发到第一激发态，此时 NV 色心会表现出一种独特的行为：自旋选择性衰减。如果 NV 色心在被激发时处于自旋 0 子能级，则会发出荧光并弛豫回基态。如果它处于自旋 -1 或自旋 1 态，则不会发出荧光，而是通过暗通道弛豫回基态。因此，荧光信号的强度可以反映 NV 色心的自旋态分布。如果微波驱动处于共振状态，则随着自旋被驱动到 +/- 1 态，荧光强度会降低。外部磁场扰动会使自旋的共振频率发生偏移，进而反映在荧光信号的变化上。
Ulbricht 博士实验室的研究生 Ali Tayefeh Younesi 在他的研究中开发了一种改进的 ODMR 方案。他不再依赖于从 NV 中心收集荧光，而是决定将红外探测信号应用于暗通道路径，探测信号的吸收取决于粒子群。通过吸收而非发射进行测量可以实现更高的对比度，从而提高灵敏度，同时在某些硬件配置下也更加便捷。这种红外吸收方法历来难以有效实施，需要低温或腔体增强来克服低信噪比 (SNR)。Ali 和他的团队已经找到了解决这些缺点的方案，使用窄线宽金刚石样品以及多频激发 自定义仪器.
解决方案
为了从探测信号中获得最佳保真度，团队最大化了可用的NV中心跃迁数量。如图1所示，由于自旋为0的氮核的存在，1→-0和1→1自旋跃迁各自包含三个子能级，该氮核与电子自旋相互作用，产生约2 MHz的额外超精细分裂。Ali没有选择其中一个子能级进行驱动，而是使用Moku Cloud Compile生成了一个包含六个独立频率分量的复杂基带信号。该基带信号（如图2所示）随后与一个2.78 GHz的本振混频，以同时处理所有六个NV中心跃迁。同样使用Moku Cloud Compile，他添加了频率调制，以便所有六个驱动频率可以同步扫描。当这些信号与其各自的 NV 中心跃迁共振时，吸收的变化会印在 1042 nm 探测激光器上，并可通过锁相放大器轻松检测到，如图 2 所示。一旦记录了电压数据，就可以通过简单的线性方程轻松计算出施加的磁场的值。
Ali认为，Moku Cloud Compile和Moku的数字特性使他能够平滑地组合多个频率分量，同时确保适当的幅度缩放和相位同步，而这对于模拟信号组合器来说是难以实现的。“调制是同步的，这一切都是通过Moku Cloud Compile完成的，”他说。利用其控制寄存器，他可以轻松地更改中心频率以及调制深度和频率。他还发现Moku可重构平台的许多其他乐器，例如…… 示波器 和 频谱分析仪, 有助于实验室周围的调试和信号验证任务。
结果
测量程序就绪后，阿里首先通过向样品施加已知脉冲磁场来校准装置，发现即使在小磁场（<1 μT）下，磁力计也能将磁场振幅的测量精度控制在3%以内。第二个测试是确定灵敏度。在采集一段设定时间内的锁相放大器输出后，计算了功率谱密度。通过改变微波驱动器的谐振频率，可以量化非磁性噪声的贡献。研究小组发现，该传感器的噪声基底为18 pT/√Hz，部分原因是激光散粒噪声。尽管如此，这个数值代表了迄今为止该红外吸收技术所记录的最高灵敏度。理论上，散粒噪声灵敏度为5 pT/√Hz，因此有可能进一步降低噪声系数。阿里和他的同事们将继续改进他们的磁力计技术，而Moku磁力计仍将是他们实验装置的重要组成部分。“它是一款非常实用的小型实验室工具，一台设备就能满足你所有的需求，”他说道。阅读该小组的完整论文 点击此处。
