該模式在這里被描述為光子腔的諧振模式，但我們可以使用多種系統(tǒng)（例如，微波或機(jī)械模式）。玻色子模式的能量衰減率為 κ ，并且每個(gè)自旋可以分別以速率 γ rel或 γφ 經(jīng)歷局部弛豫或移相過(guò)程。來(lái)源：PRX 量子(2022)。DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030330

通常，鉆石中的缺陷是一件壞事。但對(duì)于工程師而言，鉆石原本堅(jiān)硬的晶體結(jié)構(gòu)中的微小光點(diǎn)正在為突破當(dāng)今技術(shù)超靈敏量子傳感器鋪平道路。現(xiàn)在，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院 (PME) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種優(yōu)化這些量子傳感器的方法，該方法可以檢測(cè)磁場(chǎng)或電場(chǎng)中的微小擾動(dòng)等。

他們發(fā)表在PRX Quantum上的新方法利用了鉆石或半導(dǎo)體中的缺陷表現(xiàn)得像量子比特（量子信息的最小單位）的方式。

“研究人員已經(jīng)在使用這種量子比特來(lái)制造令人驚嘆的傳感器，”這項(xiàng)新工作的作者 Aashish Clerk 教授說(shuō)。“我們所做的是想出一種更好的方法，從這些量子比特中獲取較多的信息�！�

完美的鉆石由排列在重復(fù)晶格中的碳原子組成。用其他原子（如氮原子）替換其中一個(gè)原子，新的獨(dú)立原子位于鉆石堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)中間的方式賦予了它獨(dú)特的量子特性。周?chē)�環(huán)境的微小變化，從溫度到電力，改變了這種“固態(tài)缺陷”旋轉(zhuǎn)和儲(chǔ)存能量的方式。

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以向其中一個(gè)量子位發(fā)射光，然后測(cè)量光是如何偏轉(zhuǎn)和釋放的，以探測(cè)其量子態(tài)。通過(guò)這種方式，他們可以將其用作量子傳感器。

然而，分析來(lái)自固態(tài)缺陷的信息是很棘手的，特別是當(dāng)許多這樣的量子位嵌入一個(gè)傳感器時(shí)。隨著每個(gè)量子位釋放能量，該能量會(huì)改變附近量子位的行為。

“所有量子比特都以一種有趣的方式相互關(guān)聯(lián)，這在經(jīng)典上是沒(méi)有意義的，”Clerk 說(shuō)�！耙粋�(gè)量子位的作用與其他量子位的作用密切相關(guān)�！�

此外，當(dāng)光照射在量子比特上足夠長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，它會(huì)重置為基態(tài)，從而丟失其中編碼的任何信息。

Clerk 與包括新論文的作者、博士后研究員 Martin Koppenhöfer 在內(nèi)的同事開(kāi)始就量子比特如何相互作用的物理學(xué)提出一個(gè)基本問(wèn)題。在這項(xiàng)研究的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)了一種從固態(tài)缺陷量子比特中獲取信息的新技巧。

當(dāng)固態(tài)缺陷網(wǎng)絡(luò)在光子爆發(fā)中釋放能量時(shí)，研究人員通常會(huì)在釋放能量時(shí)掩蓋量子比特的確切性質(zhì)。他們轉(zhuǎn)而關(guān)注這次突然爆發(fā)之前和之后的數(shù)據(jù)。

然而，Clerk 的小組發(fā)現(xiàn)，關(guān)于量子位的更敏感信息被編碼在這種能量釋放中（稱(chēng)為“超輻射自旋衰減”）。

“人們認(rèn)為所有的量子比特一開(kāi)始都很興奮，都放松了，這看起來(lái)真的很無(wú)聊，”他說(shuō)�！暗�我們發(fā)現(xiàn)量子比特之間存在細(xì)微的差異；它們并非都完全興奮，它們也不會(huì)完全同步放松�！�

通過(guò)關(guān)注超輻射自旋衰減中那個(gè)長(zhǎng)期被忽視的時(shí)間點(diǎn)，Clerk 和他的團(tuán)隊(duì)展示了存儲(chǔ)在固態(tài)缺陷中的信息是如何被放大的。

對(duì)于試圖開(kāi)發(fā)測(cè)量從磁場(chǎng)（用于更好地導(dǎo)航或分析分子結(jié)構(gòu)）到活細(xì)胞內(nèi)溫度變化的一切事物的量子傳感器的工程師來(lái)說(shuō)，新方法提供了急需的靈敏度改進(jìn)。

“在過(guò)去，這些傳感器中非常嘈雜的量子比特讀數(shù)確實(shí)限制了一切，”Clerk 說(shuō)�！艾F(xiàn)在，這種機(jī)制讓你進(jìn)入一個(gè)不關(guān)心嘈雜的讀數(shù)的階段；你專(zhuān)注于在它之前編碼的更有價(jià)值的數(shù)據(jù)�！�

他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在計(jì)劃未來(lái)的研究，如何通過(guò)區(qū)分每個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)，而不是從整個(gè)糾纏中讀取一個(gè)讀數(shù)，從而進(jìn)一步提高固態(tài)缺陷的敏感性。他們認(rèn)為他們的新方法使這一目標(biāo)比過(guò)去更容易實(shí)現(xiàn)。