利用集体量子效应 ，人类在 20 世纪见证了 “第一次量子革命” ，这一革命推动了核磁共振波谱学、磁共振成像技术， 以及晶体管、发光二极管（LED） 、太阳能电池板和激光器的研发 。如今，在 “第二次量子革命”的背景下，得益于在原子 、量子点或色心等微观系统中探测并操控单个量子态的可能性 ，新型传感方案已展现出更高的灵敏度与更优异的分辨率。
新兴量子传感技术有望推动多种传感技术的进步——从量子重力仪 、高精度原子钟， 到低噪声量子干涉显微技术，并最终在自动驾驶汽车的陀螺仪 、以及基于磁场传感的脑机接口等领域实现商业化应用。
随着量子传感技术在近年来的不断成熟， 在商业化开发系统中， 基于金刚石中氮-空位（NV） 色心的纳米级磁测量技术已成为一种主流竞争技术 。这些NV色心可作为可光学寻址 、高灵敏度的量子传感器， 且具备高度微型化特性， 并可在原子尺度范围内精确定位 。 通过在原子力显微镜（AFM） 悬臂梁末端设置单个NV色心， 并采用扫描探针技术， 即可实现纳米级空间分辨率的磁场测量， 并兼具极高的测量精度。
无论何种量子传感技术占据主导地位， 当前的解决方案均依赖于尖端组件的可用性 。商业化进程推动了对量子中心捕获或冷却技术的改进， 以及对单量子态初始化 、操控与读取技术的优化； 进而促进了新型激光器与电子器件的研发， 以及器件小型化与实现规模化生产之创新方案的探索 。本白皮书概述了基于 NV 色心磁测法的量子传感器当前提出的解决方案。
纳米尺度量子磁测量
在过去的十年中， 金刚石中的单电子自旋已被确立为一种纳米级量子传感器， 其在磁场以及电场或温度等其他物理量的成像与传感应用中， 均展现出卓越的灵敏度和纳米级分辨率[1] 。这些自旋可通过塞曼效应与磁场自然耦合， 并具备较长的量子相干时间， 这一特性可被用于实现极高的磁场灵敏度。
最后， 自旋可被局域化至原子尺度， 进而实现纳米级分辨率的成像 。此类量子传感器能够以前所未有的灵敏度和空间分辨率测量磁场， 从而可检测电流； 其应用包括测定多铁性或反铁磁材料表面的磁结构， 或绘制电子电路中流动的GHz级高频电流分布图。
金刚石中的氮空位（NV） 色心最近被确定为合适的候选材料， 因为这种点缺陷提供了一个孤立的自旋态， 该自旋态可通过微波操控 。这些特性相结合， 使得在单个NV电子自旋水平上实现磁自旋共振（ODMR） 的光学检测成为可能（图1） 。基于NV色心自旋的磁测量技术， 可测量自旋在磁场作用下经历的能量位移——或等效地， 量子力学相位中的位移 。这些 ODMR 信号曲线代表了实现此类单自旋磁测量的最简单方法， 其中观测到的 ODMR 共振峰之间的分裂与NV自旋所经历的磁场强度成正比。
图 1. 金刚石中NV 色心自旋的基础知识。(a) NV 色心的晶体结构。 (b) 光学检测电子自旋共振——这是大多数磁强计应用的基础。(c)自旋相干性衰减测量结果。NV 色心通常具有较长的自旋相干时间， 这一特性可被用于进一步提升 NV 色心的磁场灵敏度。 图片由巴塞尔大学量子传感研究组提供。
为了利用这些优异特性实现纳米级量子传感， NV 色心传感器需与传感目标物紧密靠近——理想情况下间距仅需数纳米 。最具灵活性的方案是采用扫描探针构型， 通过使 NV 色心与样品相对扫描以实现成像 。 目前， 此类扫描式 NV 磁测量技术中最稳健且高灵敏度的实现方案， 是采用在其尖端集成单个 NV 色心的金刚石纳米柱作为扫描探针（参见图2） 。这些金刚石探针可通过杂散场成像技术， 以约 20 nm 的分辨率检测单个电子自旋 。该技术最初于 2012 年提出[2] ，此后历经持续优化[3]， 现已发展为瑞士企业 Qnami AG等公司提供的商用解决方案。
图 2. 基于金刚石中单个自旋的纳米级量子传感器。(a) 全金刚石探针的示意图，其顶点处集成有单个电子自旋量子传感器。该自旋在距样品表面 dNV~20 nm 处进行扫描，其中 dNV 定义了该接近方式的最终成像分辨率。
(b) 由高纯度单晶金刚石制备的实际器件的扫描电子显微镜图像。图片由巴塞尔大学量子传感研究组提供。
量子传感的新方法
典型的量子传感实验首先使用持续数微秒的激光脉冲对 NV 中心的电子自旋进行初始化 。该激光通常工作在 510 nm – 560 nm 的波长范围内， 用以激发 NV 中心并使其进入“ 亮” 电子自旋态； 当该态被激发时， 会在约 638 nm 处产生强荧光 。随后， 通过施加微波脉冲， 可将自旋翻转至次级“暗”态， 此时荧光强度显著降低 。微波脉冲作用后的自旋态可通过次级激光脉冲进行读取 。当微波频率与两个量子态之间的能量差相匹配时， 自旋即会发生翻转 。由于该能量差取决于NV 色心周围磁场的强度， 因此可通过测量自旋翻转至暗态所需的微波频率， 进而测定该磁场的数值（参见图 1(b) 与图3） 。通过应用由不同频率及不同开启/关闭时间组成的精密微波脉冲序列——即所谓的“传感协议”——既可最大化测量分辨率， 又能评估除磁场以外的其他参数， 例如电场强度与温度。
该方法需要在NV 色心位置施加强微波场， 而通过在该位置附近放置一根细导线， 可以最高效的方式实现这一目标 。电子自旋的控制则通过微波合成器实现， 该合成器经由高隔离度开关进行启停控制 。开关的上升与下降时间均不应超过数纳秒——这一时限由原子跃迁所能达到的典型拉比频率（可达数十MHz）所决定。
图 3 ：基于 NV 自旋的拉姆齐脉冲序列的典型 NV 磁强计测量序列。光学激发用于初始化并测量 NV 自旋。图片由巴塞尔大学量子传感研究组提供。
传统上， 脉冲序列被描述为比特串， 其中每个采样时钟周期消耗一个比特 。这种方法需要较大的采样存储器， 并导致仪器上传时间延长 。较新的方法采用游程编码来描述脉冲序列， 其中每个脉冲由一个整数表示， 该整数编码了该脉冲在时钟周期内的持续时间 。对于量子传感协议中常见的稀疏脉冲序列， 这种编码方式可缩短上传时间， 并极大简化仪器编程流程 。在典型的量子传感实验中， 测量序列会被重复多次执行， 累积的光子计数则用于表征最终测量时自旋态的概率。
大多数量子传感实验均采用对探测时间的参数扫描法， 这通常等同于传感序列中的脉冲间隔[4] 。在此类实验中， 单次 传 感 测 量 由 一 组 脉 冲 序 列 构 成 。 诸 如 Swabian Instruments 等公司已成功将现代单光子计数技术应用于实践， 从而以灵活的方式实现对单光子探测事件的快速实时处理 。此类方法可规避常见的硬件限制（如直方图范围与Bin时间通道数受限）， 极大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与读出序列， 需要在 NV 色心的激发光谱范围内采用精确定制的光脉冲 。其他关键参数详见下表：
一些量子传感应用还需要能够生成具有任意开启/关闭时间 、 以及优异强度稳定性和重复性的脉冲序列 。直到最近， 生成此类激光脉冲最常用的方法仍是将532 nm连续波激光器与双路径声光调制器（AOM）相结合。
然而， 这些激光+ AOM 系统难以对准 、体积庞大 、成本高昂 、易受冲击影响， 且需要大型或有源散热片 。 自2018年起， 采用直接强度调制的515 nm激光二极管已成为实验室设备和商业系统中的一种替代解决方案。
这些激光二极管的主要优势在于其调制能力， 例如支持具有真正截止状态的快速模拟与数字调制， 以及无需外部调制器即可实现精确的实时强度控制 。此外， 它们还能将电子器件 、光学元件及单模光纤耦合模块集成至一个紧凑且坚固的平台中， 从而便于与量子传感系统便捷集成 、无需对准或维护即可延长使用寿命， 并进一步缩小设备占位空间 。图 4展示了波长为 515 nm 、调制频率为 10 kHz 的激光二极管的典型调制特性。
图 4 ：调制后的 515 nm 激光二极管（Cobolt 06- MLD 515 nm） 的输出功率随时间变化曲线。2020 型号的调制特性已针对量子应用进行了优化。图片由HUBNER Photonics 提供。
前景
随着高纯度金刚石量子传感悬臂梁与专用控制及测量电子器件 、以及高质量激光光源同步问世， 用于多样化扫描探针量子传感实验的工具正日益向更广泛的用户群体普及 。全球众多企业也已开始将基于 NV 色心的系综量子传感器集成至商用芯片封装中， 旨在实现首批采用量子增强传感技术的量产产品 。进一步的突破有望将量子传感技术转化为一系列功能多样的传感器产品。
References
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.
