Fig. 1 Dynamique et contrôle d'un seul centre NV. (A) Schéma d'un seul centre NV en losange. Il est piloté par divers faisceaux laser et contrôlé de manière cohérente par des impulsions MW et RF. Squared :laser vert de 532 nm au carré pour la lecture du spin des électrons NV et des états de charge de mélange; haché :séquence laser hachée pour une meilleure polarisation du spin électronique sans détruire l'état de charge; puissant :laser orange puissant (4 μW) 594 nm pour la lecture de l'état de charge en temps réel; faible :laser orange faible (0,18 W) pour une lecture unique de l'état de charge. Le spin électronique NV (S =1), le spin nucléaire 14N associé (I =1), et l'un des spins nucléaires 13C distribués aléatoirement (I =1/2) constitue l'interféromètre. (B) Diagrammes de niveau des états négatifs et neutres NV notés NV− et NV0 et la dynamique correspondante entraînée par le laser vert 532 nm et le laser orange 594 nm. (C) Structure de niveau de spin de l'état fondamental du triplet NV−. Les impulsions MW et RF sont utilisées pour manipuler de manière cohérente le spin électronique NV et deux spins nucléaires (14N et 13C). (D) Mesure projective du spin nucléaire 13C. La ligne pointillée indique le seuil pour déterminer dans quel état il reste. Crédit :DOI :10.1126/sciadv.abg9204
De nombreuses mesures sont limitées par la limite quantique standard (SQL). SQL est défini comme les niveaux de bruit mesurés définis par la mécanique quantique. L'intrication quantique peut être utilisée pour battre SQL et approcher une limite ultime appelée limite Heisenberg (HL). Des mesures Sub-SQL ont été réalisées dans de nombreux systèmes dans des conditions extrêmes et les capteurs de ces systèmes ne sont pas adaptés à des mesures réalistes dans des conditions ambiantes.
Les centres de manque d'azote (NV) dans le diamant peuvent être utilisés comme capteurs pour la résonance magnétique électronique et nucléaire. Ils peuvent bien fonctionner dans des conditions environnementales en raison de la protection du réseau cristallin solide. Un processus complet de mesure sous-SQL basé sur un seul centre NV inclut l'initialisation des spins NV, enchevêtrement dans les conditions ambiantes, détection de grandeurs physiques, et lecture des résultats. Des difficultés sont maintenant apparues sur l'initialisation et l'intrication de NV.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Du Jiangfeng de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences a réalisé une mesure sub-SQL dans des conditions ambiantes avec des centres NV en diamant, et a constaté que l'utilisation de capteurs intriqués peut battre SQL et réaliser des mesures plus précises. Cette étude a été publiée dans Avancées scientifiques .
Les chercheurs ont appliqué une technique de rétroaction en temps réel pour initialiser les spins à un état très pur, et réalisé l'initialisation conjointe de l'état de charge NV, spin électronique, et deux spins nucléaires à haute fidélité.
Ils ont remplacé le laser à impulsions carrées par une séquence laser hachée pour la polarisation du spin des électrons, amélioration de la fidélité laser correspondante de 90 % à 97,7 %.
En outre, les chercheurs ont optimisé les configurations expérimentales pour mieux contrôler les conditions expérimentales. Grâce à une configuration sophistiquée pour l'isolation thermique et à propos des paramètres d'intégration-différenciation (PID) pour la rétroaction, ils ont réalisé une fluctuation de température relativement faible de 0,5 mK pendant les expériences et un champ magnétique très stable avec une volatilité de 1 ppm.
Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour l'étude des systèmes de spin à l'état solide, et jette les bases de la détection et de l'informatique quantiques.
