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我科学家首次在固态体系实现标准量子极限的磁测量突破

  本报合肥8月16日电(记者常河)中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量,该成果近期在国际期刊《科学进展》上发表。
  测量是人类认知自然的重要手段,其本质是一个物理过程,精度受到物理规律的限制。具体来说,很多测量行为都受到一个叫作标准量子极限的限制,但这并非最本质的极限,可以利用量子纠缠突破这一限制,并逼近一个更根本的极限——海森堡极限。在过去几十年里,离子阱、原子系综、光子等很多体系都已经展示了突破标准量子极限的能力,其中一些已应用于光钟和引力波探测等领域。
  近期,一种固态单自旋体系——金刚石中的氮-空位色心(NV色心)发展起来的,得益于固态晶格的保护,其可以很好地工作在室温大气环境下。基于NV色心这种原子尺度的传感器,人们已实现单分子磁共振探测以及纳米尺度的磁成像等。然而,固态晶格在保护NV色心的同时,其本身相较于真空也是一种更复杂、混乱的环境。这使得确定性地制备自旋纯态、高保真度的自旋操控等都变得十分困难。因此尽管在该体系上有一些与标准量子极限相关的工作,但突破标准量子极限仍未实现。
  杜江峰院士介绍:为了突破标准量子极限,实验上需要同时在氮-空位色心的电荷态初始化、电子自旋初始化、核自旋初始化、微波射频脉冲操控和自旋测量等方面达到高保真度,这些都具有很高的难度。本文研究团队综合发展了一系列技术,攻克了这一难题。在初始化方面,首次在室温下确定性地实现了NV电荷态、电子自旋态以及核自旋态的联合初始化;通过前选择反馈控制的方法,对电荷状态进行确定性的制备,将NV-比例从74.3%提高到99.42%;采用脉冲光极化的方法,将电子极化度从使用连续光照射下的90%提高到97.74%,该方法与电荷态初始化可同时兼容,可在几乎不破坏电荷态的情况下完成对电子自旋态的初始化。在量子操控方面,实验使用了形状脉冲的操控方法代替简单的方波脉冲,非局域门的保真度估值超过了0.99。在实验条件方面,实现了0.5mK的温度稳定性和1ppm的磁场稳定性。
  "基于以上技术,研究人员在基于NV色心的固态自旋体系中成功地突破了标准量子极限。"杜江峰说,在真实噪声环境下,利用双量子比特和三量子比特对相位的测量,其灵敏度分别突破了标准量子极限1.79dB和2.77dB;利用双量子比特对真实磁场的测量,其灵敏度突破了标准量子极限0.87dB。
  这一工作所采用的技术有很多实际的应用,"可以进一步提高单个NV色心的测磁灵敏度,基于单自旋初始化、操控、检测等各项技术的提升可使单个NV色心自旋的测磁灵敏度优于1nT/Sqrt(Hz)。"杜江峰告诉记者,更高的灵敏度可以让我们更快速、更精细地对目标进行精密检测,这对NV色心在生命科学、凝聚态物理等领域的应用有重要推动作用,有助于新现象新规律的发现。该工作发展的技术可以很自然地推广到其他固态自旋体系,对于固态体系量子精密测量和量子计算的发展都具有基础性的推动作用。(本报记者 常河)

中国金属资源的临界性评价金属资源是经济和社会发展的基础,对确保全球制造业的可持续发展至关重要。在21世纪,关键金属的消费急剧增加,导致全球金属资源的供需风险更大。为了应对未来矿产资源的潜在供应风险,许多国晚舟归航,没有任何力量能阻挡中国前进的步伐晚舟归航,没有任何力量能阻挡中国前进的步伐文马凯祖国有力量,民众有依靠。经历1028个日日夜夜,在中国政府不懈努力下,在亿万祖国亲人的期盼中,孟晚舟,终于回家了!北京时间25日,她新发传染病发展为晚期流行病的早期预警诊断历史上可以看到由于旅行和贸易引起的传染病传播,无论是早期定居者还是旅行商人。日益全球化使传染病迅速传播到世界不同地区并引起广泛感染。对最近爆发的SARSMERS猪流感和COVID1中科院化学所突破透明墨水实现全彩图像打印结构色(structuralcolor)又称物理色,是由微观物理结构与自然光之间的相互作用(如散射干涉衍射等)所产生的颜色。结构色并不陌生,在大自然和日常生活中广泛存在,如绚丽的彩Chem。Rev。分子光致动器的研究进展分子光致动器可以控制它们嵌入的响应系统的形状和化学或物理特性。这些效应通常由超分子相互作用介导,并且可以放大以在微观和宏观尺度上执行工作,例如,在材料和仿生系统中。虽然许多研究都集我国学者在桥环化合物的高效合成方面取得新进展作者周荣付雪峰发布化学科学部在国家自然科学基金项目(项目编号21971105)的资助下,南方科技大学李闯创研究团队与理论计算化学家K。Houk团队合作,在桥环化合物的合成领域取得重JACS一种给体受体共轭微孔聚合物用于光驱动二氧化碳还原利用可见光将二氧化碳转化为化学原料是缓解温室气体和减轻化石燃料持续消耗造成的气候变化的一条很有前途的途径。在C1原料中,甲烷是基本常规燃料的主要组成部分。同时,甲烷也是最清洁的燃料我国学者在重大传染病防控与管理研究领域取得进展来源管理科学部作者俞剑吴刚在国家自然科学基金项目(批准号718740037193400272122001)等资助下,北京大学刘民教授与合作者基于重大传染病大数据揭示了我国孕妇人群乙有机薄膜光伏电池光化学反应与器件性能衰减研究马昌期中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所有机薄膜光伏电池因其质量轻柔软可弯折以及超高的重量比功率密度等优点,在光伏建筑一体化临近空间飞行器以及物联传感等方面具有广阔的应用前景。铜纳米晶上沉积超薄氧化铝以实现高度稳定的CO2电还原成乙烯基于Cu纳米晶体(NCs)的催化剂用于电化学二氧化碳到C2的高活性转化已引起相当大的兴趣,但稳定性差和单一C2产品的选择性低仍然是实现可持续碳中和循环的障碍。美国劳伦斯伯克利国家实我国学者在新型纤维聚合物锂离子电池方面取得进展作者岳秦康强发布化学科学部在国家自然科学基金项目(批准号21634003,21805044,22075050)等资助下,复旦大学彭慧胜教授团队在高分子纤维器件领域取得新进展,相关研
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