多量子比特纳米尺度传感：以纠缠为资源
量子物理
2025-04-18 v1 材料科学
摘要
氮空位（NV）中心在金刚石中广泛用作局部磁传感器，通过相干的单量子比特控制来测量时间平均场和噪声，实现纳米尺度的空间分辨率。超越单量子比特，多量子比特控制 enables 新的感知模式，例如测量非局域时空相关子，或利用纠缠态提高测量灵敏度。本文描述了使用光学上未被解析的 NV 中心对和核自旋作为多量子比特传感器，用于测量相关噪声，从而实现纳米尺度的协方差磁感测。对于光学上未被解析但具有谱分辨自旋过渡的 NV 中心，我们实现了相位循环协议，通过交替改变两个 NV 中心的相对自旋定向来消除磁相关性与方差波动的混淆。对于光学和谱上都未被解析的 NV 中心，我们利用与一个 NV 中心强耦合的 13C 核自旋这一第三量子比特，实现协相的单 NV 自旋翻转，从而 enable 类似的相位循环协议。在约 10 nm 的尺度上，我们通过两个 NV 中心之间的偶极-偶极耦合创建最大化纠缠的 Bell 态，并用于直接读取磁场相关性，而不是从独立的未纠缠 NV 中心的测量重构。重要的是，这会将灵敏度随读取噪声的标度从二次降低到线性。对于常规的 NV 中心自旋态非共振读取（读取噪声约为量子投影极限的 30 倍），这将导致灵敏度的显著提升。最后，我们展示了检测高空间和时间分辨率相关子的方法，针对强相互作用的 NV 中心对。
引用
@article{arxiv.2504.12533,
title = {Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource},
author = {Jared Rovny and Shimon Kolkowitz and Nathalie P. de Leon},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.12533},
year = {2025}
}