양자 정보 과학 연구자들에게 가장 큰 난관 중 하나는 큐비트 시스템의 본질적인 불안정성입니다. 양자 중첩 상태는 본질적으로 취약하기 때문에, 열 여기, 기계적 진동, 또는 누설 전자기장 등 큐비트의 국소 환경으로부터의 간섭이 해로운 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 노이즈가 많은 큐비트는 더 높은 비율의 오류를 발생시키는 경향이 있으며, 능동적인 오류 수정은 모든 잠재적인 대규모 양자 컴퓨터에 필수적인 요건입니다.
이와 대조적으로 양자 감지는 양자 정보 과학(QIS)의 또 다른 하위 분야로, 이러한 심각한 장애물을 강점으로 전환하고자 합니다. 큐비트는 환경에 매우 민감하기 때문에 큐비트는 훌륭한 센서이기도 합니다. 원자 시스템 갇힌 이온과 중성 원자는 뛰어난 EMF 미터, 중력계, 힘 미터 역할을 할 수 있으며, 자기장을 감지하는 가장 인기 있는 시스템 중 하나는 다이아몬드 격자 내에 갇힌 결함을 포함합니다.
연구팀은 로널드 울브리히트 박사 에 막스 플랑크 고분자 연구소 독일 마인츠에 있는 연구팀은 이러한 고체 자력계의 감도를 향상시키는 새로운 기술을 개발하고 있습니다. 연구팀은 연구를 수행하기 위해 Moku:Pro소프트웨어 정의 테스트 및 측정 장비 제품군을 제공하는 재구성 가능한 장치입니다. 특히, 그룹은 Moku 클라우드 컴파일모든 Moku 장치에서 사용할 수 있는 도구인 는 사용자가 Moku 제품군의 다른 장비와 함께 또는 단독으로 맞춤형 FPGA 기능을 신속하게 구축할 수 있도록 지원합니다. 이 연구팀은 복잡한 사인파 패턴을 생성하는 맞춤형 모듈과 새로운 감지 방식을 함께 사용하여 NV 중심 기반 자력계의 상온 감도를 향상시켰습니다. 이 연구는 최근 실제 검토 적용.
난제
음전하를 띤 질소 공극(NV) 중심은 다이아몬드 샘플에 전자가 조사될 때 발생하며, 격자에서 소량의 탄소 원자가 방출됩니다. 이 공극은 샘플이 고온으로 가열될 때 자연적으로 존재하는 질소 원자와 결합하여 NV 중심을 형성합니다. NV 중심은 실온에서 높은 안정성을 가질 뿐만 아니라 광학적으로 주소 지정이 가능한 등 여러 가지 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 더욱이, 다이아몬드 격자에 둘러싸여 있다는 것은 환경에 대한 내구성이 매우 뛰어나 다양한 극한 조건에서도 작동할 수 있다는 것을 의미합니다.
NV 중심을 이용하여 자기장을 검출하는 한 가지 방법은 광학 검출 자기 공명(ODMR)이라는 과정을 이용하는 것입니다. 기존의 자기 공명과 마찬가지로, 그림 1과 같이 NV 샘플에 약한 자기장을 가하면 스핀 부준위 간에 에너지가 분리되고, 마이크로파 신호(~3GHz)가 이러한 부준위 간의 전이를 유도합니다. 시스템에 532nm 레이저 펄스를 가하면 스핀이 바닥 상태에서 첫 번째 여기 상태로 여기되는데, 이때 NV 중심에서만 나타나는 독특한 특성인 스핀 선택적 붕괴가 나타납니다. NV 중심이 여기될 때 스핀-0 부준위에 있었다면 형광을 발하고 바닥 상태로 돌아갑니다. 스핀-(-1) 또는 스핀-1 상태에 있었다면 형광을 발하지 않고 암 채널을 통해 바닥 상태로 이완됩니다. 따라서 형광 신호의 세기는 NV 중심의 스핀 상태 분포에 대한 정보를 제공합니다. 마이크로파 구동이 공진 상태이면 스핀이 +/- 1 상태로 이동함에 따라 형광이 감소합니다. 외부 자기장 섭동은 스핀의 공진 주파수를 변화시키고, 이는 형광 신호의 변화에 반영됩니다.
그림 1: NV 에너지 준위 다이어그램. 위: NV 중심은 0, -1 또는 1의 스핀 하위 준위를 차지합니다. 532nm 녹색 레이저로 여기될 경우, 이후 붕괴 경로는 초기 스핀 상태에 따라 달라집니다. 아래: 각 NV 하위 준위는 질소 핵의 상태에 따라 초미세 준위로 세분되어 스핀 -0 상태에서 총 XNUMX번의 전이를 일으킵니다.
울브리히트 박사 연구실의 대학원생인 알리 타이페 유네시는 변형된 ODMR 방식을 개발했습니다. 그는 NV 중심에서 형광을 수집하는 대신, 암 채널 경로에 적외선 프로브 신호를 적용하기로 했습니다. 이 경우 프로브 신호의 흡수는 입자 밀도에 따라 달라집니다. 방출 대신 흡수 측정은 더 높은 대비와 더 높은 감도를 제공하며, 특정 하드웨어 구성에서는 더욱 편리합니다. 이 적외선 흡수 방식은 낮은 SNR을 극복하기 위해 극저온이나 공동 강화가 필요하여 효과적으로 구현하기 어려웠습니다. 알리와 그의 팀은 좁은 선폭 다이아몬드 샘플과 다중 주파수 여기를 사용하여 이러한 단점을 해결하는 방법을 찾았습니다. Moku 클라우드 컴파일.
해법
연구팀은 프로브 신호에서 최상의 충실도를 얻기 위해 사용 가능한 NV 중심 전이의 수를 최대화했습니다.그림 1에서 볼 수 있듯이, 0 → -1 및 0 → 1 스핀 전이는 각각 전자 스핀과 상호 작용하여 ~1MHz의 추가적인 초미세 분할을 생성하는 스핀-2 질소 핵의 존재로 인해 세 개의 하위 준위를 갖습니다.Ali는 이러한 하위 준위 중 하나만 선택하는 대신 Moku Cloud Compile을 사용하여 여섯 개의 개별 주파수 구성 요소를 가진 복잡한 기저대역 신호를 생성했습니다.그림 2에 표시된 이 기저대역 신호는 2.78GHz 국부 발진기와 혼합되어 여섯 개의 NV 중심 전이를 모두 동시에 처리했습니다.또한 Moku Cloud Compile을 사용하여 주파수 변조를 추가하여 여섯 개의 구동 주파수를 모두 동기적으로 스위핑할 수 있었습니다. 이러한 신호가 각각의 NV 중심 전이와 공진을 이루거나 공진에서 벗어날 때, 흡수도의 변화가 1042nm 프로브 레이저에 각인되고 잠금 증폭기로 쉽게 감지됩니다(그림 2 참조). 전압 데이터가 기록되면 간단한 선형 방정식을 통해 인가된 자기장 값을 쉽게 계산할 수 있습니다.
그림 2: 실험 구현. 위: 다이아몬드 샘플에 적용된 여기(녹색) 레이저와 프로브(적외선) 레이저를 보여주는 광학 장치. 마이크로파 신호 생성 체인은 표시되지 않음. 아래: NV 중심 구동에 사용된 다중 주파수 신호의 스펙트럼 프로파일.
알리는 Moku Cloud Compile과 Moku의 디지털 특성 덕분에 적절한 진폭 스케일링과 위상 동기화를 보장하면서 여러 주파수 성분을 원활하게 결합할 수 있었다고 말했는데, 이는 아날로그 신호 결합기에서는 구현하기 어려운 작업이었습니다.
그는 "변조는 동기화되어 있으며, 이 모든 작업은 Moku Cloud Compile을 통해 이루어집니다."라고 말했습니다.
제어 레지스터를 사용하여 중심 주파수는 물론 변조 깊이와 주파수를 쉽게 변경할 수 있습니다. 그는 또한 재구성 가능한 Moku 플랫폼의 다른 여러 계측기, 예를 들어 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기, 연구실에서 디버깅과 신호 검증 작업에 도움이 됩니다.
결과
알리는 측정 절차를 수립한 후, 알려진 펄스 자기장을 샘플에 적용하여 먼저 설정을 보정한 결과, 작은 자기장(<1 𝜇T)에서도 자력계가 자기장의 진폭을 3% 이내로 측정할 수 있음을 발견했습니다.
두 번째 테스트는 감도를 측정하는 것이었습니다. 일정 시간 동안 록인 증폭기 출력을 수집한 후, 전력 스펙트럼 밀도를 계산했습니다. 마이크로파 구동 장치를 공진 상태에서 껐다 켜면서 비자성 잡음 기여도를 정량화할 수 있었습니다. 연구팀은 센서의 잡음 플로어가 18 pT/√Hz임을 확인했는데, 이는 부분적으로 레이저 샷 잡음 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 이 수치는 이 IR 흡수 기술에 대해 기록된 최고 감도를 나타냅니다. 이론적인 샷 잡음 감도가 5 pT√Hz이므로, 이 잡음 지수를 더욱 낮출 수 있을 것입니다.
알리와 그의 동료들이 자력계 기술을 계속 개선하는 동안, 모쿠는 그들의 실험 장치에서 중요한 부분으로 계속 사용될 것입니다.
"실험실에 두기 좋은 컴팩트한 도구입니다. 하나의 기기로 필요한 모든 도구를 갖출 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. 연구진의 전체 논문을 읽어보세요. 여기를 클릭해 문의해주세요.
막스 플랑크 고분자 연구소의 Moku:Pro. 사진 제공: 알리 타이에페 유네시.
