科學家打造量子傳感操控新方法，能準確檢測微弱信號，可用於探測和操控單個核自旋

近日，華南師範大學王振宇教授和團隊，提出一種新型量子傳感操控方法。

對於那些此前無法正確測量的複雜信號，該方法可以實現準確、可靠的頻譜分析。

課題組提出利用漸變的脈衝序列以週期性的方式驅動量子傳感器的量子態，迫使後者沿著測地線進行週期性的快速絕熱演化，來實現對微弱動態信號的量子傳感。

本次研究所提出的方法去除了此前方法中的高次諧波等雜訊，使得量子傳感器能夠選擇性地提取某個單一頻率信號。

當這個被脈衝序列驅動的週期性演化的頻率和外部信號頻率一致時，信號就能得到共振放大；而當這兩個頻率不一致的時候，外部信號不會改變量子傳感器的量子態。

因此，通過改變脈衝序列驅動的週期，新方法可以準確地得到信號的頻譜信息。同時，本次方法是基於量子絕熱方法，故能具有更好的操控穩定性和魯棒性，也帶來更好的抗環境噪聲性能。

通過此，該團隊的方法可用於具有複雜波形的微弱信號的傳感。即使存在外部噪聲的情況下，也能測量寬頻帶下的很多個信號。

目前，課題組已經為本次成果申請專利，預計將能用於以下領域：

其一，用於金剛石氮空位色心量子傳感器，獲得準確的微納尺度的核磁共振信號。類似地，也能用於單蛋白質分子等系統的順磁共振。

其二，用於對核自旋量子比特進行準確可靠的操控，實現金剛石平台下的量子信息處理，以及用於實現遠程量子糾纏等。

其三，實現納米尺度的材料檢測和任意高解像度的頻譜分析等。

其四，這種方法抑制了高次諧波和虛假共振響應，也為避免量子計算中的串擾問題提供新的解決思路。

由於量子傳感操控新方法克服了此前方法中的偽信號和信號交疊等不足，因此還能用於將量子傳感拓展到複雜信號複雜環境之中，從而獲得更好的性能。

原因在於，當去除虛假信號和噪聲的影響之後，就能獲得更清晰、更準確的頻譜圖。而且，由於此方法對量子操控誤差的容錯性更強，對環境噪聲的干擾的抑制能力也更好，此方法可以進一步提高量子傳感的靈敏度。

亟需提高量子傳感操控方法的可靠性和真實性

作為一種正在迅速發展的量子技術，量子傳感利用量子力學特性，能夠針對物理量實現高精度、高靈敏的測量，在物理、化學和生物等諸多領域有著重要應用。

量子傳感器的一個基本依據是：量子系統例如微觀粒子的量子態對於環境干擾極其敏感。

如果這種干擾來源於環境噪聲，那麼環境噪聲對於量子態的作用，會讓量子系統的量子態信息迅速丟失，這也就是所謂的量子退相干現象。

量子退相干，是目前難以實現量子計算機的主要原因。但是，從另外一個角度來講，如果針對量子系統進行操控，觀察量子態在不同操控狀態下的反應，例如觀察量子退相幹的行為，則可以從量子態的變化中，反過來推斷出環境的信息。

因此，如果把待測物體作用於量子傳感器，量子傳感器有望以超高的靈敏度進行測量。

常見的量子傳感器，包括金剛石中的氮空位色心、列特堡原子、原子磁力計、超導量子干涉儀等。

這些不同的量子傳感器，具有不同的物理特性和物理優點，並在不同領域發揮著重要作用。

例如，金剛石中的氮空位色心只有原子級的尺寸，由於受到金剛石這種最硬天然材料的良好保護，其在室溫大氣環境下、甚至在超高壓環境下也能很好地工作。

目前，多支科研團隊已經成功利用氮空位色心，針對單個原子核或多個原子核開展單獨探測，並實現了納米級別的高解像度核磁共振。

當以氮空位色心為量子傳感器的時候，甚至能夠針對其附近的核自旋量子態進行操控，從而能夠執行量子門的操作，而這也是量子計算的基本操作。

對於這種量子傳感器來說，它可以實現亞納特斯拉的超高靈敏度的磁信號檢測。

相比傳統的磁共振，其解像度能夠提升百萬倍，分子數靈敏度能夠提升百億倍，是一款典型的顛覆性新技術。

在針對信號進行測量時，動態信號是一種主要的待測信號。對於擁有這種動態信號的量子傳感，目前最前沿、最主要的探測方法，是針對量子傳感器施加動力學解耦脈衝序列。

通過對量子傳感器施加不斷重覆的動力學解耦脈衝，量子傳感器的量子態會被迫進行週期性的量子態翻轉。

而當量子態翻轉的頻率、和外部信號的頻率保持一致時，對於量子態的演化狀態來說，它會在共振效應的影響之下，被信號場強烈地改變。

而當量子態翻轉的頻率和外部信號的頻率不一致的時候，量子態的演化幾乎不會受到外部信號場影響。

這樣一來，通過改變動力學解耦脈衝的時間間隔，就能獲得外部信號的頻譜信息。

但是，目前這種針對動態信號的量子傳感方法依舊存在一些問題。

其中最主要的一個問題便是：對於動力學解耦脈衝序列來說，它不可避免地會造成信號混疊。因此，在量子傳感器的檢測譜中，每一個單頻信號都會出現多個重影的峰。

如果沒有足夠的先驗知識來排除虛假的重影信號峰，那麼通過量子傳感所獲得的信號可能是錯誤的。

同樣的，如果待測信號源、或噪聲的頻率成分不夠簡單，那麼採用已有的量子傳感方法，就很難獲得準確、可靠的測量結果。

此外，在目前已有方法之中還存在這樣一個問題：即由於動力學解耦脈衝序列的操控誤差和功率限制等原因，會導致出現偽信號和量子退相幹的問題。

因此，在目前的演示性實驗中，人們通常使用頻率處於某個已知的較窄頻段之內、頻率成分較為單一的信號源，來作為量子傳感的對象。

但是，在多數情況下，待測目標的信息是很不清楚的，待測環境也具有複雜頻率成分的噪聲。

在此前的量子傳感方法中，動力學解耦脈衝會快速地切換量子態，從而產生高次諧波，進而造成檢測信號譜的重影。而且，由於細微的操控誤差、或脈衝不夠快等原因，也會造成信號變形和產生偽信號。

也就是說，現有的量子傳感操控方法的這些問題，限制了量子傳感的應用範圍，也降低了所得信號的可靠性和真實性。

例如，Science 曾有一篇聲稱探測到單個質子的論文，後來發現是因為上述原因，實際上探測到的是碳原子，論文作者不得已主動撤稿。

據介紹，在回國之前王振宇曾在德國從事博士後研究。自那時起，他就開始從事量子傳感方面的研究，重點放在金剛石氮空位色心量子傳感器上。

2016 年，王振宇發表了一篇論文，提出並證明了量子絕熱演化的充分必要條件，克服了此前教科書中給出的量子絕熱判據可能失效的困難，並為設計高保真的量子操控提供了新的設計思路。

後來，中國科學技術大學杜江峰院士團隊，在實驗中證實了上述量子絕熱條件，併發現這一條件所建立的跳躍式絕熱演化，能夠突破量子絕熱演化的速度極限。

於是，王振宇開始思考：能否把新的量子絕熱操控方法用在量子傳感上？

要知道，除了極個別特殊的例子之外，此前尚未有人將量子絕熱操控用於量子傳感上。

主要原因在於：基於傳統量子絕熱判據的量子態操控是極其緩慢的，很難用於動態信號的探測上。

後來，回國獨立建組之後的王振宇，給自己的兩位碩士生介紹了五六個新課題供他們選擇。

其中一個課題便是：在跳躍式絕熱演化之下，考察量子傳感器對於外部信號的傳感特性。

「但是，也許他們覺得利用絕熱演化做量子傳感的課題過於簡單，因此都沒有選它，而是選了其它看上去更複雜、工作量更大的課題。」王振宇說。

但是，王振宇覺得這個課題依然值得一試，於是他用一個下午的時間做了些數值模擬。

很快，他就從模擬結果中發現，通過這種新方法獲得的信號不僅不一樣，而且效果更好。

後又通過一番分析他得出結論：對於傳統的基於動力學解耦脈衝序列的量子傳感難題，本次新方法正是「一方解藥」。

之後，他找到另外兩位需要新課題的研究生，並和德國的合作者開展研究。

而在論文的第一輪投稿中，為了回覆審稿人的意見，該團隊做了一些新的模擬。

當針對新模擬結果開展討論時，他們意外發現首輪投稿的論文中的個別數值模擬，其實際使用的量子操控序列和論文正文中的量子操控序列存在差別，這等於使用了兩種不同的方法。

幸好，經過一番仔細檢查之後，他們發現兩種方法都能對量子傳感帶來很好的結果，也不影響論文的結論。

日前，相關論文《通過測地線演化實現清晰的寬帶量子傳感》（Wide-Band Unambiguous Quantum Sensing via Geodesic Evolution）為題發在 Physical Review Letters[1]。

華南師範大學碩士研究生曾軻為論文第一作者，王振宇擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Physical Review Letters）

「有趣的是，這種無意中使用的‘錯誤’的量子傳感方法還帶來一些獨特的優點，這也是團隊的一個新課題。」王振宇最後表示。

1.Zeng, K., Yu, X., Plenio, M. B., & Wang, Z. Y. (2024). Wide-Band Unambiguous Quantum Sensing via Geodesic Evolution, Physical Review Letters 132(25), 250801.

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