金刚石氮-空位中心测量电场及其应用的研究

Quantum sensing platform using Nitrogen-Vacancy center in diamond can perform single-molecule level measurements under ambient condition. Due to the appealing aspects in practical applications, it has attracted increasing research interest in the past few years, and has achieved rapid development. In this project, we will study how to utilize all the advantages of detecting electric field using Nitrogen-Vacancy center in diamond to form new quantum sensing schemes, which can be used to detect important physiological process that involve electric field e.g., radical pair reaction and photosynthesis reaction..On the other hand, decreasing the depth of Nitrogen-Vacancy center will cause reduction of coherence time, which limits the spatial resolution of NV center. However, a molecule can be very tiny to be quite close to the measured object. Combining it with Nitrogen-Vacancy center through electric field coupling may take advantage of high measurement sensitivity of a Nitrogen-Vacancy center spin quantum sensor, and the significant improved spatial resolution provided by radical pair molecule.

金刚石中的氮-空位中心量子测量平台，可以实现常温常压下单分子水平的探测，有着广泛的应用前景，近年来吸引了人们浓厚的研究兴趣，并获得了迅速的发展。在本项目中，我们主要研究如何利用氮-空位中心探测电场的独特优势来实现新型量子传感技术的方案，用于研究生物中有电场信号的重要生理过程，比如自由基反应，光合作用等。.另一方面，由于金刚石中的氮-空位中心离晶体表面太近会降低其相干性，这限制了氮-空位中心与被测物体的间距及其在空间上的分辨率。而生物分子的尺寸可以非常小，便于十分接近被测物体，它们组成的复合系统进一步通过电场进行耦合，有望借助于自由基分子的小尺寸以及金刚石氮-空位中心的高灵敏度来拓展金刚石色心的空间分辨率。

金刚石中的氮空位中心在电场测量中需要实现更好的噪声抑制或更快的相干操控。在更快的相干操控方面，我们研究了最优化控制在全光操控氮空位中心自旋方案中的应用，优化结果抵消了旋转波近似引入的误差，对于控制场的偏离以及频率的失谐等情况都具有很好的鲁棒性。在抑制噪声方面，我们研究了拓扑能量转换现象中的动力学退耦合策略，以抑制磁场噪声对拓扑能量转换现象的影响。在噪声下一般二能级系综调控体系中，我们研究了相位调制的作用，我们的方法可以在有限优化参数下更快更好的搜索到最优控制场。而且我们进一步的研究显示，对于能级失谐以及控制场涨落，基于相位调制的方法都具有更强的鲁棒性。针对不能通过重复测量消除的噪声，我们研究了赝厄密系统中的临界现象在提高量子测量精度上的作用，借助其动力学过程中的发散性，可显著提高量子传感的灵敏度，对散列噪声及难以多次测量平均的噪声都有很好的表现。此外，我们利用碳纳米管量子点的电流隧穿并借助核自旋来实现微米量级间距氮空位中心之间的纠缠，对于量子传感和量子信息处理都有重要意义。