利用碳纳米管中新型类原子量子比特实现电场与磁场纳米传感

量子传感技术已在众多领域成功突破灵敏度极限，并为研究纳米尺度器件与新型材料的扫描探针带来了巨大前景。然而，构建一个既足够简单、鲁棒，可置于扫描尖端，又足够灵敏以探测多种物理可观测量的纳米尺度量子比特，仍是一项重大挑战。本文展示了一种在碳纳米管中实现的概念全新量子比特，可满足上述要求。与当前主流半导体量子比特采用双量子点中电子态的方式不同，我们的量子比特利用单个量子点中的天然电子波函数。借助一根超净纳米管，我们由两个磁矩和空间电荷分布显著不同的波函数构建了一个量子比特，使其对磁场和电场均敏感。我们使用栅极阵列直接对这些波函数进行成像，并展示了它们的局域磁矩。由于空间结构不同，这些波函数还表现出截然不同的输运性质，为我们提供了一种基于输运的简单量子比特读出机制。得益于其窄的相干受限跃迁，该量子比特展现出远优于单电子晶体管的电场探测灵敏度。此外，利用同一量子比特，我们展示了直流灵敏度可与 NV 色心媲美的磁场同步探测。我们的技术对器件复杂度的要求极低，可通过多种直接制备方法实现。这些特性使这种类原子量子比特成为一种强大的新工具，能够实现多种新的纳米尺度成像实验。