Quantum sensing(量子感測): sensors

08-09

來自專欄 Something about Quantum31 人贊了文章

開這個專欄其實已經幾個月了，本意是督促自己多讀點東西記記筆記，然而對於實驗都做不好的人來說真是有點為難了。Anyway，專欄會不定期更新一些關於quantum sensing, quantum information等方向的一些有趣的話題，可能是綜述，可能只是某一個好玩的計算或腦洞。水平有限，有錯誤或不準確的地方還請各位指正。

這是第一期（並不知道什麼時候會有第二期），就講一些關於quantum sensing亦即量子感測這個方面一些很general很基礎的東西吧，就先從具體的物理系統開始吧！近年來量子技術的發展已經引起了大眾的廣泛關注，除了人們喜聞樂見的量子信息/計算/通訊等，量子技術在感測和模擬等方面同樣有著很廣泛的應用。所謂量子感測，一般指為基於某個系統利用量子力學的原理實現對外界環境信號，如磁場電場溫度等的高精度高靈敏度測量(high resolution, high sensitivity). 那這就涉及到幾個問題，用什麼物理系統(sensor)，怎麼測量(protocol)，怎麼實現高精度和靈敏度等，本文將回答第一個問題，這裡只是一個非常簡單的概述，如果以後有時間，會對某個具體的系統state-of-art展開描述。有興趣的同學可以看一下我導師寫的Rev. Mod. Phys. 89, 035002，這篇綜述很系統了對這個領域state-of-art作了介紹，是一個很不錯的入門文獻，本文在寫作過程中也主要參考了這篇(其實主要就是翻譯畢竟姿勢水平太低，逃)。

物理系統(sensor)

現在可以用於quantum sensing的系統有很多，比如利用各種atoms, spins以及超導電路等等。超導系統可能很多人都已經熟知，量子計算中人們提到的超導比特也可以作為sensor來測量從Hz到GHz各種頻段的雜訊，一般實驗中會用Ramsey啊還有動力學解耦Dynamical decoupling的方式來對不同頻率的雜訊強度來探測，比如Fig.1中的noise spectroscopy. 另外一方面SQUID也可以探測從DC到GHz的弱磁場，它的空間精度已經可以做到比um還小同時也有非常高的精度( $< 10 aT/sqrt{Hz}$ ，可能是最高（?)和vapor cell差不多)。

【1】磁通量子比特的noise spectroscopy. Bylander et al., Nature Physics 7, 565 (2011); Yan et al., PRB 85, 174521 (2012).

另一類很重要的系統是各種固態的自旋，包括單個的自旋(single spin)以及集群(ensemble spins). 我們熟知的核磁共振包括醫學上的磁共振成像便是利用核自旋的拉莫爾進動進行感測，而另外一個很著名的系統便是金剛石中的氮空位色心(NV center)，作為一個點缺陷，NV center多餘出的一個電子有一個自旋為1的基態，並且可以利用光學方法有效的進行極化和態的讀出(比如文章的標題圖，引自去年ETH的新聞報道)。當外場如電場(Stark)磁場(Zeeman)或者溫度發生變化時候，基態能級及本徵態會有響應。NV ensemble可以測量磁場以及做陀螺儀，受限於ensemble複雜的環境因此常溫的T2一般是us量級，其靈敏度分別可以達到 $250 aT/sqrt{Hz imes cm^3}$ 和 $10^{-5} rad/(ssqrt{Hz imes mm^{-3}})$ .

而單個的NV spin因為scale比較小可以有比較高的spatial resolution，比如可以把單個NV mount到AFM的tip上進行掃描可以測量出納米尺度的磁場分布。另外單個NV有很好的相干性，比如現在T1 T2分別可以達到hour和s的量級。現在可以做到裡面有NV的4nm納米鑽石顆粒，可以用於生物體內的in vivo測量，進行藥物追蹤測量體內溫度及其他環境等等。另外值得一提的是離鑽石表面比較近的NV可以測量表面的如蛋白質的結構(如Fig.2是組裡之前一個大佬師兄的工作)，將來可能在結構生物學方面有更多應用。

【2】利用NV檢測鑽石表面的蛋白質示意圖，來源 MIT News: http://news.mit.edu/2015/diamond-defects-detailed-protein-images-0206 參考文獻Phys. Rev. X 5, 011001

除了超導的artificial atom和自旋外，各種原子也可以作為高靈敏度的sensor。比如atomic vapor cells, 之前在Berkeley有幸了解過相關實驗。Cesium或Rb原子在一個玻璃泡裡面，它們的基態可以作為一個sensor來測量磁場，可以通過dipole transition來pump/probe (Fig.3)。vapor cell一個很大的優點是裡面原子基態的相干時間即使在室溫下也很長，可以達到秒的量級，也因此它們的sensitivity可以達到和SQUID相當。因為退相干的主要機制之一是原子和器壁的碰撞，所以可以在內表面加一層anti-relaxation的coating來延長相干時間。事實上有時候溫度越高(比如>100C°)sensitivity會越高，因為內壁附著的原子會脫離提高atom density等等。另外，Rydeberg states因為dipole比較大因此和電場相互作用強，可以用Stark effect來測量電場。

【3】Atomic vapor cell的一個光路圖，cell在亥姆霍茲線圈纏繞的coil裡面，引自Journal of Applied Physics 121, 063104 (2017)

除此之外，類似於上面提到的atom，trapped ions的一些ground state levels也可以通過Zeeman來測磁場，更重要的是可以精密測量電場(幾百 $nV/sqrt{m^{2}Hz}$ )以及對ion有擾動的force等；干涉儀(LIGO)，原子鐘等也可以認為是高精度的量子感測；腔光力系統(optomechanics)將量子化的力學模式和光場couple起來，可以通過量子光學的手段來測量力；甚至包括高能裡面的探測器通過衰變產物比如正電子來推斷 $mu$ 子以及 $pi$ 介子的信息，都可以認為是廣義的量子感測。畢竟，Quantum is everywhere.