量子情報科学の研究者にとって最大の難題の一つは、キュービットシステムの固有の不安定性である。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、迷走電磁場など、キュービットの局所的な環境からのあらゆる干渉が有害な影響を及ぼす可能性がある。こうしたノイズの多いキュービットはエラー発生率が高く、アクティブエラー訂正は、あらゆる大規模量子コンピュータにとって厳しい要件となっている。一方、量子センシングは、この大きな障害を強みに変えようとする量子情報科学（QIS）の別の分野である。キュービットは環境に非常に敏感であるため、キュービットは優れたセンサーにもなり得る。 原子システム 捕捉されたイオンや中性原子のように、優れた電磁場計、重力計、力計として機能することができるが、磁場を感知する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ある。 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を照射し、格子から少量の炭素原子を放出することで生成されます。これらの空孔は、試料を高温に加熱すると、自然に存在する窒素原子と結合して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アドレス指定が可能であるなど、多くの優れた特性を持っています。さらに、ダイヤモンド格子に包まれているため、さまざまな極限条件下でも動作できるなど、環境に対して非常に頑丈です。NV中心を使用して磁場を検出する方法の1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、図1に示すように、NV試料に小さな磁場を印加すると、スピンサブレベル間にエネルギー分裂が生じ、マイクロ波信号（約3GHz）によってこれらのサブレベル間の遷移が駆動されます。システムに532 nmのレーザーパルスを照射すると、スピンは基底状態から第一励起状態に励起され、そこでNV中心特有の挙動である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の副準位にあった場合、蛍光を発して基底状態に戻ります。スピン-(-1)またはスピン-1の状態にあった場合は、蛍光を発せず、暗チャネルを介して基底状態に戻ります。したがって、蛍光信号の強度はNV中心のスピン状態分布に関する情報を提供します。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。外部磁場による摂動はスピンの共鳴周波数を変化させ、それが蛍光信号の変化として現れます。
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。
Ali氏は、Moku Cloud CompileとMokuのデジタル特性のおかげで、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述べています。これはアナログ信号コンバイナでは難しいことです。「変調は同期しており、すべてMoku Cloud Compileで行っています」と彼は言います。コントロールレジスタを使用すると、中心周波数だけでなく、変調深度と周波数も簡単に変更できます。また、再構成可能なMokuプラットフォームの他の多くの機器、例えば、 オシロスコープ (NAIST) 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
測定手順を確立した後、アリはまず既知のパルス磁場をサンプルに印加してセットアップを校正し、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た。2番目のテストは感度を決定することだった。ロックインアンプの出力を一定期間収集した後、パワースペクトル密度を計算した。マイクロ波駆動を共振オン/オフにすることで、非磁気ノイズの寄与を定量化できた。グループは、センサーのノイズフロアが18 pT/√Hzであることを発見したが、これは部分的にレーザーショットノイズによるものだった。それでも、この数値は、このIR吸収技術でこれまで記録された中で最高の感度を表している。理論上のショットノイズ感度が5 pT/√Hzであれば、このノイズ値をさらに下げることが可能かもしれない。アリと彼の同僚が磁力計技術の改良を続ける間、Mokuは彼らの実験セットアップの重要な部分であり続けるだろう。「これはラボにあると便利なコンパクトなツールで、1つのデバイスで必要なすべてのツールが揃います」と彼は言った。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。
