量子情報科学研究者にとって最大の悩みの種の一つは、量子ビットシステムに内在する不安定性です。量子重ね合わせ状態は本質的に脆弱であり、熱励起、機械的振動、漂遊電磁場など、量子ビットの局所環境からの干渉が有害な影響を及ぼす可能性があります。こうしたノイズの多い量子ビットはエラー率が高くなる傾向があり、将来的に大規模量子コンピュータを実現するには、能動的なエラー訂正が厳格な要件となります。
対照的に、量子センシングは量子情報科学（QIS）のもう一つの分野であり、この大きな障害を強みに変えることを目指しています。量子ビットは周囲の環境に非常に敏感であるため、優れたセンサーとしても機能します。 原子システム 捕捉されたイオンや中性原子は優れた EMF メーター、重力計、力計として機能できますが、磁場を感知するための最も一般的なシステムの 1 つは、ダイヤモンド格子内に捕捉された欠陥を利用するものです。
主導の研究チーム ロナルド・ウルブリヒト博士 マックスプランク高分子研究所 ドイツのマインツにある研究チームは、これらの固体磁力計の感度を高めるための新しい技術の開発に取り組んでいる。研究を進めるために、チームは Moku:Proは、ソフトウェア定義のテストおよび計測機器スイートを提供する再構成可能なデバイスです。具体的には、グループは Mokuクラウドコンパイルは、すべてのMokuデバイスで利用可能なツールで、ユーザーはカスタムFPGA機能をスタンドアロンまたはMokuスイートの他の計測機器と組み合わせて迅速に導入できます。研究チームは、カスタムモジュールを用いて複雑な正弦波パターンを生成し、新しい検出方式と組み合わせることで、NVセンターベースの磁力計の室温感度を向上させました。この研究成果は最近、 物理的レビューを適用.
課題
負に帯電した窒素空孔（NV）中心は、ダイヤモンド試料に電子線を照射すると格子から少量の炭素原子が放出され、生成されます。これらの空孔は、試料を高温に加熱すると自然発生する窒素原子と結合し、NV中心を形成します。NV中心は、室温での高い安定性や光学的制御性など、多くの優れた特性を有しています。さらに、ダイヤモンド格子に封入されているため、環境に対して非常に堅牢であり、様々な過酷な条件下で動作可能です。
NV中心を用いて磁場を検出する方法の一つは、光検出磁気共鳴（ODMR）と呼ばれるプロセスです。従来の磁気共鳴と同様に、NVサンプルに小さな磁場を印加することで、図1に示すように、スピンサブレベル間のエネルギー分裂を引き起こし、マイクロ波信号（約3GHz）がこれらのサブレベル間の遷移を駆動します。532 nmのレーザーパルスをシステムに印加すると、スピンは基底状態から最初の励起状態へと励起され、そこでNV中心特有の挙動、すなわちスピン選択的減衰を示します。励起時にNV中心がスピン0サブレベルにあった場合、蛍光を発し、基底状態に戻ります。スピン（-1）またはスピン1状態にあった場合、蛍光は発せず、代わりにダークチャネルを介して基底状態に戻ります。このように、蛍光信号の強度から、NV中心のスピン状態分布に関する情報が得られます。マイクロ波駆動が共鳴状態にある場合、スピンが+/- 1の状態に駆動されるにつれて蛍光は減少します。外部磁場の摂動によってスピンの共鳴周波数がシフトし、それが蛍光信号の変化として反映されます。
図1：NVエネルギー準位図。上：NV中心は、スピン0、-1、または1のサブレベルを占める。532 nmの緑色レーザーで励起された場合、その後の減衰経路は初期のスピン状態に依存する。下：各NVサブレベルは、窒素原子核の状態に基づいてさらに超微細準位に分割され、スピン0状態から合計XNUMXつの遷移が生じる。
ウルブリヒト博士研究室の大学院生アリ・タイエフェ・ユネシ氏は、改良型ODMR法を開発した。NV中心からの蛍光収集に頼るのではなく、暗チャネル経路に赤外線プローブ信号を適用し、その吸収をポピュレーションに依存するようにした。発光ではなく吸収で測定することでコントラストが向上し、感度も高まる。また、特定のハードウェア構成ではより便利になる。この赤外線吸収法はこれまで効果的に実装するのが難しく、低いSNRを克服するには極低温やキャビティの増強が必要だった。アリ氏と彼のチームは、狭線幅ダイヤモンドサンプルと多周波励起を用いることで、これらの欠点を克服する回避策を見出した。 Mokuクラウドコンパイル.
ソリューション
プローブ信号から可能な限り最高の忠実度を得るために、研究チームは利用可能な NV 中心遷移の数を最大化しました。図 1 に示すように、0 → -1 および 0 → 1 スピン遷移にはそれぞれ、電子スピンと相互作用して約 1 MHz の追加の超微細分裂を生成するスピン 2 窒素核の存在により、2 つのサブレベルがあります。これらのサブレベルの 2.78 つだけを選択して駆動するのではなく、Ali 氏は Moku Cloud Compile を使用して、1042 つの個別の周波数成分を持つ複雑なベースバンド信号を生成しました。図 2 に示すこのベースバンド信号は、XNUMX GHz の局部発振器と混合され、XNUMX つの NV 中心遷移すべてに同時に対処しました。また、Moku Cloud Compile を使用して周波数変調を追加し、XNUMX つの駆動周波数すべてを同期してスイープできるようにしました。これらの信号がそれぞれの NV 中心遷移によって共鳴したり共鳴から外れたりすると、吸収の変化が XNUMX nm プローブ レーザーに刻印され、図 XNUMX に示すように、ロックイン アンプで簡単に検出されます。電圧データが記録されると、印加磁場の値は簡単な線形方程式で簡単に計算できます。
図2：実験の実装。上：光学セットアップ。ダイヤモンドサンプルに照射される励起（緑色）レーザーとプローブ（赤外線）レーザーを示している。マイクロ波信号生成チェーンは図示されていない。下：NV中心を駆動するために使用された多周波数信号のスペクトルプロファイル。
Ali 氏は、Moku Cloud Compile と Moku のデジタル性質のおかげで、適切な振幅スケーリングと位相同期を確保しながら複数の周波数成分をスムーズに組み合わせることができたと評価しています。これは、アナログ信号結合器では難しいことです。
「変調は同期しており、すべてMoku Cloud Compileを通じて行われます」と彼は語った。
制御レジスタを使えば、中心周波数だけでなく、変調度や周波数も簡単に変更できます。また、再構成可能なMokuプラットフォームには、次のような他の多くの機器も搭載されています。 オシロスコープ の三脚と スペクトラムアナライザ, ラボでのデバッグや信号検証のタスクに役立ちます。
結果
測定手順が整ったので、アリ氏はまず、既知のパルス磁場をサンプルに適用してセットアップを較正し、小さな磁場（<1 𝜇T）でも磁力計が磁場の振幅を3%以内で測定できることを発見しました。
18つ目の試験は感度を決定することでした。ロックインアンプの出力を一定時間収集した後、パワースペクトル密度を計算しました。マイクロ波駆動装置を共振のオン/オフに切り替えることで、非磁性ノイズの寄与を定量化できました。研究チームは、センサーのノイズフロアが5 pT/√Hzであることを発見しました。これはレーザーショットノイズが一因です。とはいえ、この数値は、このIR吸収技術でこれまでに記録された最高の感度を表しています。理論上のショットノイズ感度はXNUMX pT/√Hzであるため、このノイズ指数をさらに下げることが可能です。
アリ氏とその同僚は磁力計技術の改良を続けますが、Moku は今後も彼らの実験装置の重要な部分であり続けるでしょう。
「これは研究室に置いておくのに便利なコンパクトなツールです。必要なツールがすべて1つにまとめられています」と彼は述べた。研究グループの論文全文を読む こちらをクリックしてください。
マックス・プランク高分子研究所のMoku:Pro。写真提供：Ali Tayefeh Younesi。
