这项技术可以提高量子传感器件的灵敏度

在量子传感中，原子级量子系统用于测量电磁场以及旋转、加速度和距离等特性，远比经典传感器精确。例如，这项技术可以使设备以前所未有的细节对大脑进行成像，或者使空中交通控制系统具有精确的定位精度

随着许多现实世界中的量子传感设备的出现，一个有希望的方向是利用钻石内部的微观缺陷来制造可用于量子传感的“量子位”。量子比特是量子器件的组成部分

麻省理工学院和其他地方的研究人员开发了一种技术，使他们能够识别和控制更多的这些微观缺陷。这可以帮助他们建立一个更大的量子位系统，以更高的灵敏度进行量子传感

他们的方法建立在钻石内部的一个中心缺陷上，称为氮空位（NV）中心，科学家可以使用激光检测和激发，然后用微波脉冲控制。这种新方法使用微波脉冲的特定协议来识别并将这种控制扩展到激光看不到的额外缺陷，这些缺陷被称为暗自旋

研究人员试图通过连接自旋网络来定位更多的暗自旋，从而控制它们。从NV的中心自旋开始，研究人员通过将NV的自旋与附近的暗自旋耦合来构建这个链，然后将这个暗自旋用作探针，以发现和控制NV无法直接感知的更远的自旋。这个过程可以在这些更远的自旋上重复，以控制更长的链

“我从这项工作中学到的一个教训是，当你看不到结果时，在黑暗中搜索可能会非常令人沮丧，但我们能够冒这个风险。只要有一些勇气，就有可能在人们以前没有看过的地方进行搜索，并找到潜在的更有利的量子位，”Alex Ungar说

Ungar是麻省理工学院电气工程和计算机科学的博士生，也是量子工程小组的成员，他是一篇关于这项技术的论文的主要作者，该论文于2月7日发表在PRX Quantum上

他的合著者包括他的顾问兼通讯作者、核科学与工程系福特工程教授兼物理学教授Paola Cappellaro；以及滑铁卢大学量子计算研究所的高级研究科学家Alexandre Cooper；以及Cappellaro团队的前研究员Won Kyu Calvin Sun，他现在是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士后

为了制造NV中心，科学家将氮气注入钻石样品中

但将氮引入金刚石会在周围环境中产生其他类型的原子缺陷。其中一些缺陷，包括NV中心，可以产生所谓的电子自旋，电子自旋起源于缺陷部位周围的价电子。价电子是指原子最外层的电子。缺陷与外部磁场的相互作用可以用来形成量子位。

研究人员可以利用这些来自相邻缺陷的电子自旋，在单个NV中心周围创建更多的量子位。这种更大的量子位集合被称为量子寄存器。拥有更大的量子寄存器可以提高量子传感器的性能

这些电子自旋缺陷中的一些通过磁相互作用连接到NV中心。在过去的工作中，研究人员利用这种相互作用来识别和控制附近的自旋。然而，这种方法是有限的，因为NV中心只在短时间内稳定，这一原理称为相干性。它只能用于控制在这个相干极限内可以达到的少数自旋

在这篇新论文中，研究人员使用NV中心附近的电子自旋缺陷作为探针来发现和控制额外的自旋，从而创建了一个由三个量子位组成的链

他们使用一种称为自旋回波双共振（SEDOR）的技术，该技术涉及一系列微波脉冲，将NV中心与与其相互作用的所有电子自旋解耦。然后，他们选择性地施加另一个微波脉冲，使NV中心和附近的一个自旋配对

与NV不同，这些相邻的暗自旋不能被激光激发或偏振。这种极化是用微波控制它们所需要的步骤

一旦研究人员发现并表征了第一层自旋，他们就可以通过同时向两个自旋施加微波，通过磁相互作用将NV的极化转移到第一层自旋。然后，一旦第一层自旋被极化，他们就在第一层自旋上重复SEDOR过程，将其用作探针来识别与其相互作用的第二层自旋。

这种重复的SEDOR过程使研究人员能够检测和表征位于NV中心相干极限之外的新的、独特的缺陷。为了控制这种更远的自旋，他们小心地施加一系列特定的微波脉冲，使他们能够将极化从NV中心沿着链转移到第二层自旋

Ungar说：“这为构建更大的量子寄存器到更高层的自旋或更长的自旋链奠定了基础，也表明我们可以通过扩大这项技术来发现这些以前没有发现的新缺陷。”

要控制自旋，微波脉冲必须非常接近该自旋的共振频率。由于温度或振动，实验装置中的微小漂移可能会引发微波脉冲

研究人员能够优化他们发送精确微波脉冲的协议，这使他们能够有效地