利用集体量子效应，核磁共振波谱、磁共振成像以及晶体管、LED、太阳能电池板和激光器的开发等技术在20世纪实现了所谓的第一次量子革命。如今，在第二次量子革命中，由于有可能检测和控制原子、量子点或色心等微观系统中的单个量子态，新的传感方案提供了更高的灵敏度和更好的分辨率。
新兴的量子传感技术可能会导致传感技术的改进，从量子重力仪和精确的原子钟到低噪声量子干涉显微镜，并最终在自动驾驶汽车的陀螺仪或通过磁场传感的脑机接口中找到商业用途。
近年来，随着量子传感技术的成熟，商业开发系统的竞争技术之一是基于金刚石中氮空位（NV）色心的纳米磁力测量。这些中心充当光学可寻址、高灵敏度的量子传感器，高度小型化并定位于原子长度尺度。采用扫描探针方法，在AFM（原子力显微镜）悬臂的尖端有一个NV中心，可以以纳米级的空间分辨率和极高的测量精度测量磁场。
无论哪种量子传感技术占主导地位，当前的解决方案都依赖于先进组件的可用性。商业化的努力推动了捕获或冷却这些量子中心的技术以及初始化、操纵和读出单量子态的技术的改进。这反过来又推动了新型激光器和电子产品的发展，以及小型化和创新方式，以实现大规模生产。在这篇白皮书中，我们概述了目前提出的基于NV色心磁力计的量子传感器解决方案。

纳米量子磁力计

在过去的十年里，金刚石中的单电子自旋已被确立为纳米级量子传感器，在磁场和其他量（如电场或温度）的成像和传感方面表现出优异的灵敏度和纳米级分辨率[1]。自旋通过塞曼效应与磁场自然耦合。它们可以表现出长的量子相干时间，可以用来产生优异的磁场灵敏度。
最后，自旋可以被定位到原子长度尺度，从而实现纳米级分辨率的成像。这些量子传感器可以以前所未有的灵敏度和空间分辨率测量磁场，从而测量电流。应用包括确定多铁性或反铁磁性材料表面的磁性结构，或绘制电子电路中流动的高频电流（GHz）。
金刚石中的氮空位（NV）色心最近被确定为合适的候选者，因为点缺陷提供了可以使用微波操纵的孤立自旋状态。这些组合特性允许在单个NV电子自旋的水平上对磁自旋共振（ODMR）进行光学检测（图1）。基于NV色心自旋的磁强计测量自旋在磁场存在时所经历的能量偏移，或者等效地说，量子机械相的偏移。这些ODMR轨迹代表了实现这种单自旋磁力计的最简单方法，其中观察到的ODMR共振之间的分裂与NV自旋经历的磁场成正比。

图1。钻石中NV色心自旋的基本原理。（a） NV中心的晶体结构。（b） 光学探测的电子自旋共振，它构成了大多数磁强计应用的基础。（c） 自旋相干衰变测量。可以利用典型的长NV自旋相干时间来进一步增强NV的磁场灵敏度。由巴塞尔大学量子传感小组提供。
为了利用这些有吸引力的特性进行纳米级量子传感，NV传感器需要靠近传感目标，理想情况下只有几纳米。最灵活的方法应用扫描探针几何结构，该几何结构相对于彼此扫描NV和样本以进行成像。如今，这种扫描NV磁强计的最稳健和最灵敏的实现是通过使用尖端包含单个NV中心的金刚石纳米柱作为扫描探针来实现的（见图2）。这些金刚石尖端允许通过20纳米左右分辨率的杂散场成像来检测单电子自旋。这种方法最初设想于2012年[2]，后来经过改进[3]，目前瑞士初创公司Qnami AG等公司都提供了商业解决方案。

图2:基于金刚石单自旋的纳米级量子传感器。（a） 绘制了一个全金刚石尖端，其顶点包含一个单电子自旋量子传感器。自旋在样品表面上以dNV~20nm的距离进行扫描，其中dNV定义了该方法的最终成像分辨率。（b） 由高纯度单晶金刚石制成的真实设备的扫描电子显微镜图像。由巴塞尔大学量子传感小组提供。

量子传感的新方法

一个典型的量子传感实验是从用持续几微秒的激光脉冲初始化NV色心的电子自旋开始的。激光器通常在510 nm–560 nm的波长范围内工作，这会激发NV中心并形成“明亮”的电子自旋态，当被激发时，会在638 nm左右产生强荧光。通过随后施加微波脉冲，可以将自旋翻转到显示较少荧光的第二“较暗”状态。用二次激光脉冲读出微波曝光后的自旋状态。当微波频率与两种状态之间的能量差相匹配时，就会发生自旋翻转。由于这种能量差取决于NV中心周围的磁场，因此可以通过测量在什么微波频率下发生向较暗状态的翻转来确定磁场，即当荧光降低时（见图1（b）和图3）。通过应用不同频率和不同开/关时间的精细微波脉冲序列，即所谓的“传感协议”，可以最大限度地提高测量分辨率，还可以评估磁场以外的其他参数，如电场强度和温度。
这种方法在NV色心位置需要强微波场，通过在其附近放置细线可以最有效地实现这一点。电子自旋的控制是用微波合成器实现的，该合成器通过高隔离开关打开和关闭。开关的上升和下降时间应该不超过几纳秒——这是原子跃迁通常可实现的拉比频率（可以达到几十MHz）所施加的限制。

图3：在NV自旋上使用拉姆齐脉冲序列的典型NV磁力测量序列。光学激发用于初始化和测量NV自旋。由巴塞尔大学量子传感小组提供。
传统上，脉冲序列被描述为比特串，其中每个采样时钟节拍消耗一个比特。这种方法需要大的样本内存，导致仪器上传时间过长。最近的方法使用游程编码来描述脉冲序列，其中每个脉冲由一个整数来描述，该整数以时钟节拍对其持续时间进行编码。对于量子传感协议中典型的稀疏脉冲序列，这种编码提高了上传时间，极大地方便了仪器编程。典型的量子传感实验多次重复测量序列，累积的光子计数编码最终测量的自旋状态的概率。
大多数量子传感实验都是以询问时间的参数扫描进行的，这通常相当于传感序列中的脉冲间间隔[4]。在这种情况下，一个传感测量由一组脉冲序列组成。Swabian Instruments等公司已经能够应用现代单光子计数方法，以灵活的方式快速处理单光子检测事件。这种方法消除了常见的硬件限制，如有限的直方图范围和时间通道数，并极大地促进了新型量子传感方案的实现。

 

紧凑型快速调制激光器

NV色心自旋态的光学初始化和读出序列需要在NV中心的激发光谱内精确定制的光脉冲。下表列出了其他重要参数：

波长	510 – 560 nm
调制上升/下降时间	<10 ns
开/关消光比	> 60 dB
光斑	高斯
光谱纯度	> 40 dB
偏振消光比	> 100:1

一些量子传感应用还需要生成具有任意开/关时间的脉冲串的能力以及优异的强度稳定性和可重复性。直到最近，产生这种激光脉冲的最常见方法涉及532nm连续波激光器与双路径声光调制器（AOM）的组合。
然而，这些激光+AOM设置很难对准，体积庞大，价格昂贵，对冲击敏感，并且需要大型或有源散热器。自2018年以来，具有直接强度调制的515 nm激光二极管为实验室设置和商业系统提供了一种替代解决方案。
这些激光二极管的主要优点是其调制能力，例如具有真正关断状态的快速模拟和数字调制，以及无需外部调制器的精确实时强度控制。它们还可以将电子、光学和单模光纤耦合集成到一个紧凑耐用的平台中。这允许与量子传感设置进行用户友好的集成，无需对齐或维护即可延长使用寿命，占地面积更紧凑。图4显示了调制频率为10kHz的515 nm激光二极管的典型调制特性。

图4：调制515 nm激光二极管（Cobolt 06-MLD 515 nm）随时间的输出功率轨迹。2020型的调制特性针对量子应用进行了优化。由HÜBNER Photonics提供。

 

展望

随着高纯度金刚石量子传感悬臂与专用控制和测量电子设备以及高质量激光源一起出现，用于多功能扫描探针量子传感实验的工具越来越容易被更广泛的受众所使用。世界各地的企业也开始将基于NV的集成量子传感器集成到商业芯片封装中，目标是实现首个利用量子增强传感的量产产品。
进一步的突破有望将量子传感技术转变为一系列通用的传感器产品。

参考文献

1. M. Chernobrod et al., Spin microscope based on optically detected magnetic resonance, J. Appl. Phys. 97, 014903 (2005).

2. P. Maletinsky, et al., A robust scanning diamond sensor for nanoscale imaging with single nitrogen-vacancy centres, Nature Nanotechnology 7, 320 (2012).

3. N. Hedrich et al., Parabolic diamond scanning probes for single spin magnetic field imaging, arXiv:2003.01733 (2020) 4. Photonics Spectra October 2020 New Tools Promise the Next Big Thing for Quantum Sensing | Features | Oct 2020 | Photonics Spectra

作者

Niklas Waasem is regional sales manager and application specialist for HÜBNER Photonics.
Helmut Fedder is CEO and Co-Founder of Swabian Instruments.
Patrick Maletinsky is a professor at the University of Basel and the leader of its quantum sensing group.

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