科学家打造量子传感操控新方法，能准确检测微弱信号，可用于探测和操控单个核自旋

近日，华南师范大学王振宇教授和团队，提出一种新型量子传感操控方法。

对于那些此前无法正确测量的复杂信号，该方法可以实现准确、可靠的频谱分析。

课题组提出利用渐变的脉冲序列以周期性的方式驱动量子传感器的量子态，迫使后者沿着测地线进行周期性的快速绝热演化，来实现对微弱动态信号的量子传感。

本次研究所提出的方法去除了此前方法中的高次谐波等杂讯，使得量子传感器能够选择性地提取某个单一频率信号。

当这个被脉冲序列驱动的周期性演化的频率和外部信号频率一致时，信号就能得到共振放大；而当这两个频率不一致的时候，外部信号不会改变量子传感器的量子态。

因此，通过改变脉冲序列驱动的周期，新方法可以准确地得到信号的频谱信息。同时，本次方法是基于量子绝热方法，故能具有更好的操控稳定性和鲁棒性，也带来更好的抗环境噪声性能。

通过此，该团队的方法可用于具有复杂波形的微弱信号的传感。即使存在外部噪声的情况下，也能测量宽频带下的很多个信号。

目前，课题组已经为本次成果申请专利，预计将能用于以下领域：

其一，用于金刚石氮空位色心量子传感器，获得准确的微纳尺度的核磁共振信号。类似地，也能用于单蛋白质分子等系统的顺磁共振。

其二，用于对核自旋量子比特进行准确可靠的操控，实现金刚石平台下的量子信息处理，以及用于实现远程量子纠缠等。

其三，实现纳米尺度的材料检测和任意高分辨率的频谱分析等。

其四，这种方法抑制了高次谐波和虚假共振响应，也为避免量子计算中的串扰问题提供新的解决思路。

由于量子传感操控新方法克服了此前方法中的伪信号和信号交叠等不足，因此还能用于将量子传感拓展到复杂信号复杂环境之中，从而获得更好的性能。

原因在于，当去除虚假信号和噪声的影响之后，就能获得更清晰、更准确的频谱图。而且，由于此方法对量子操控误差的容错性更强，对环境噪声的干扰的抑制能力也更好，此方法可以进一步提高量子传感的灵敏度。

亟需提高量子传感操控方法的可靠性和真实性

作为一种正在迅速发展的量子技术，量子传感利用量子力学特性，能够针对物理量实现高精度、高灵敏的测量，在物理、化学和生物等诸多领域有着重要应用。

量子传感器的一个基本依据是：量子系统例如微观粒子的量子态对于环境干扰极其敏感。

如果这种干扰来源于环境噪声，那么环境噪声对于量子态的作用，会让量子系统的量子态信息迅速丢失，这也就是所谓的量子退相干现象。

量子退相干，是目前难以实现量子计算机的主要原因。但是，从另外一个角度来讲，如果针对量子系统进行操控，观察量子态在不同操控状态下的反应，例如观察量子退相干的行为，则可以从量子态的变化中，反过来推断出环境的信息。

因此，如果把待测物体作用于量子传感器，量子传感器有望以超高的灵敏度进行测量。

常见的量子传感器，包括金刚石中的氮空位色心、里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪等。

这些不同的量子传感器，具有不同的物理特性和物理优点，并在不同领域发挥着重要作用。

例如，金刚石中的氮空位色心只有原子级的尺寸，由于受到金刚石这种最硬天然材料的良好保护，其在室温大气环境下、甚至在超高压环境下也能很好地工作。

目前，多支科研团队已经成功利用氮空位色心，针对单个原子核或多个原子核开展单独探测，并实现了纳米级别的高分辨率核磁共振。

当以氮空位色心为量子传感器的时候，甚至能够针对其附近的核自旋量子态进行操控，从而能够执行量子门的操作，而这也是量子计算的基本操作。

对于这种量子传感器来说，它可以实现亚纳特斯拉的超高灵敏度的磁信号检测。

相比传统的磁共振，其分辨率能够提升百万倍，分子数灵敏度能够提升百亿倍，是一款典型的颠覆性新技术。

在针对信号进行测量时，动态信号是一种主要的待测信号。对于拥有这种动态信号的量子传感，目前最前沿、最主要的探测方法，是针对量子传感器施加动力学解耦脉冲序列。

通过对量子传感器施加不断重复的动力学解耦脉冲，量子传感器的量子态会被迫进行周期性的量子态翻转。

而当量子态翻转的频率、和外部信号的频率保持一致时，对于量子态的演化状态来说，它会在共振效应的影响之下，被信号场强烈地改变。

而当量子态翻转的频率和外部信号的频率不一致的时候，量子态的演化几乎不会受到外部信号场影响。

这样一来，通过改变动力学解耦脉冲的时间间隔，就能获得外部信号的频谱信息。

但是，目前这种针对动态信号的量子传感方法依旧存在一些问题。

其中最主要的一个问题便是：对于动力学解耦脉冲序列来说，它不可避免地会造成信号混叠。因此，在量子传感器的检测谱中，每一个单频信号都会出现多个重影的峰。

如果没有足够的先验知识来排除虚假的重影信号峰，那么通过量子传感所获得的信号可能是错误的。

同样的，如果待测信号源、或噪声的频率成分不够简单，那么采用已有的量子传感方法，就很难获得准确、可靠的测量结果。

此外，在目前已有方法之中还存在这样一个问题：即由于动力学解耦脉冲序列的操控误差和功率限制等原因，会导致出现伪信号和量子退相干的问题。

因此，在目前的演示性实验中，人们通常使用频率处于某个已知的较窄频段之内、频率成分较为单一的信号源，来作为量子传感的对象。

但是，在多数情况下，待测目标的信息是很不清楚的，待测环境也具有复杂频率成分的噪声。

在此前的量子传感方法中，动力学解耦脉冲会快速地切换量子态，从而产生高次谐波，进而造成检测信号谱的重影。而且，由于细微的操控误差、或脉冲不够快等原因，也会造成信号变形和产生伪信号。

也就是说，现有的量子传感操控方法的这些问题，限制了量子传感的应用范围，也降低了所得信号的可靠性和真实性。

例如，Science曾有一篇声称探测到单个质子的论文，后来发现是因为上述原因，实际上探测到的是碳原子，论文作者不得已主动撤稿。

据介绍，在回国之前王振宇曾在德国从事博士后研究。自那时起，他就开始从事量子传感方面的研究，重点放在金刚石氮空位色心量子传感器上。

2016年，王振宇发表了一篇论文，提出并证明了量子绝热演化的充分必要条件，克服了此前教科书中给出的量子绝热判据可能失效的困难，并为设计高保真的量子操控提供了新的设计思路。

后来，中国科学技术大学杜江峰院士团队，在实验中证实了上述量子绝热条件，并发现这一条件所建立的跳跃式绝热演化，能够突破量子绝热演化的速度极限。

于是，王振宇开始思考：能否把新的量子绝热操控方法用在量子传感上？

要知道，除了极个别特殊的例子之外，此前尚未有人将量子绝热操控用于量子传感上。

主要原因在于：基于传统量子绝热判据的量子态操控是极其缓慢的，很难用于动态信号的探测上。

后来，回国独立建组之后的王振宇，给自己的两位硕士生介绍了五六个新课题供他们选择。

其中一个课题便是：在跳跃式绝热演化之下，考察量子传感器对于外部信号的传感特性。

“但是，也许他们觉得利用绝热演化做量子传感的课题过于简单，因此都没有选它，而是选了其它看上去更复杂、工作量更大的课题。”王振宇说。

但是，王振宇觉得这个课题依然值得一试，于是他用一个下午的时间做了些数值模拟。

很快，他就从模拟结果中发现，通过这种新方法获得的信号不仅不一样，而且效果更好。

后又通过一番分析他得出结论：对于传统的基于动力学解耦脉冲序列的量子传感难题，本次新方法正是“一方解药”。

之后，他找到另外两位需要新课题的研究生，并和德国的合作者开展研究。

而在论文的第一轮投稿中，为了回复审稿人的意见，该团队做了一些新的模拟。

当针对新模拟结果开展讨论时，他们意外发现首轮投稿的论文中的个别数值模拟，其实际使用的量子操控序列和论文正文中的量子操控序列存在差别，这等于使用了两种不同的方法。

幸好，经过一番仔细检查之后，他们发现两种方法都能对量子传感带来很好的结果，也不影响论文的结论。

日前，相关论文《通过测地线演化实现清晰的宽带量子传感》（Wide-BandUnambiguousQuantumSensingviaGeodesicEvolution）为题发在PhysicalReviewLetters[1]。

华南师范大学硕士研究生曾轲为论文第一作者，王振宇担任通讯作者。

图 |相关论文（来源：PhysicalReviewLetters）

“有趣的是，这种无意中使用的‘错误’的量子传感方法还带来一些独特的优点，这也是团队的一个新课题。”王振宇最后表示。

1.Zeng,K.,Yu,X.,Plenio,M.B.,&Wang,Z.Y.(2024).Wide-BandUnambiguousQuantumSensingviaGeodesicEvolution, PhysicalReviewLetters 132(25),250801.

运营/排版：何晨龙