Считывание ансамбля спинов в твердом теле на пределе проекционного шума

Слушая самые тихие магнитные шепоты

Современные квантовые датчики способны обнаруживать магнитные поля от источников размером до отдельных белков или крошечных электронных схем, но обычно их показания ограничены дополнительным техническим шумом при считывании. В этой работе показано, как можно уловить фундаментальный «квантовый шелест» твердотельного кристаллического датчика на основе дефектов в алмазе, преодолев долгосрочное шумовое ограничение. Для читателя это история о том, как уже выдающийся микроскоп магнитных полей превратили в ещё более точный инструмент, способный ускорить картирование мозговой активности, исследования материалов и диагностические процедуры.

Почему спины в алмазе делают мощные датчики

Работа сосредоточена на крошечных магнитах — спинах, связанных с центрами вакансий азота (NV) в алмазе. Каждый NV-центр — это дефект, где один атом углерода заменён азотом, а соседняя позиция пуста. Эти дефекты ведут себя как квантовые компасы, которыми управляют светом и микроволнами даже при комнатной температуре. Когда многие такие спины объединяют в ансамбль, они работают как коллективный датчик, используемый в ядерном магнитном резонансе (ЯМР), магнитно-резонансной томографии (МРТ), навигации и даже поисках тёмной материи. В принципе их предельная производительность определяется квантовым «проекционным шумом» — неизбежной случайностью, возникающей при измерении многих квантовых спинов. На практике же эксперименты с твердыми кристаллами до сих пор ограничивались куда более приземлённым источником случайности: шумом засчёта фотонов, используемых для считывания спинов.

Преодоление фотонного шума с помощью хитрого «памятного» трюка

Авторы обошли это ограничение, заимствовав мощный приём из экспериментов с одиночными спинами и масштабировав его до мезоскопического ансамбля NV-центров. В каждом NV-центре находится не только электронный спин, который легко считывается оптически, но и ядерный спин азота, выступающий в роли долговременной квантовой памяти. Команда многократно отображает состояние ядерного спина на электронный спин с помощью точно настроенных микроволновых и радиочастотных импульсов, затем считывает электронный спин коротким лазерным импульсом и повторяет этот цикл тысячи раз. Поскольку ядерный спин практически не меняется при таких слабых повторяющихся измерениях, его состояние можно опрашивать снова и снова, эффективно усредняя случайные флуктуации числа фотонов. При работе в сильном магнитном поле 2,7 тесла они увеличивают время жизни этой ядерной памяти достаточным образом, чтобы выполнить более четырёх тысяч считываний одних и тех же спинов.

Наблюдение истинной квантовой тряски толпы спинов

По мере увеличения числа повторных считываний шум в измеряемом сигнале сначала падает в соответствии с ожидаемой фотонной статистикой, а затем выходит на плато, когда фотонный шум перестаёт доминировать. В этот момент остаётся только собственный проекционный шум самих спинов. Исследователи наблюдают уменьшение шума примерно на 3,8 децибела ниже уровня фотонного засчётного шума, напрямую выйдя в режим, ограниченный проекционным шумом. Это позволяет им не только измерять среднюю ориентацию спинов, но и разрешать полное распределение результатов измерений по ансамблю. С такой чувствительностью они могут отслеживать, как коллективный шум меняется при возбуждении спинов радиоволнами, при релаксации спинов вследствие случайного движения в кристалле и при воздействии искусственных пространственно скоррелированных источников шума, которые влияют на все спины похожим образом.

Новые способы обнаружения пространственно-временных паттернов

Прямой доступ к шуму спинов открывает режимы сенсинга, которые ранее были недоступны для твердофазных ансамблей. Команда демонстрирует, что, наблюдая как меняется ширина распределения шума, можно различать некоррелированный фоновый шум, при котором каждый спин дрожит независимо, и коррелированный шум, при котором многие спины смещаются координированно. Они также используют стандартные последовательности импульсов, которые делают ансамбль чувствительным к осциллирующим магнитным полям на выбранной частоте, а затем восстанавливают, как коллективное распределение спинов распространяется по различным направлениям. Это раскрывает не только силу отклика спинов, но и то, как их флуктуации делокализуются, давая более объёмную картину окружения.

От улучшенных квантовых датчиков к изучению многих тел квантовой материи

Достижение предела проекционного шума в твердом кристалле превращает долгосрочный теоретический ориентир в практический инструмент. Для непосвящённых ключевой результат состоит в том, что эти датчики на базе алмаза теперь можно считывать с такой точностью, что остаётся лишь фундаментальная квантовая случайность. Это, в свою очередь, означает, что многие протоколы сенсинга — от наномасштабной ЯМР и МРТ до релаксометрии и магнитометрии — могут стать быстрее или чувствительнее на порядки величин, поскольку требуется меньше усреднений. В перспективе такое считывание открывает более экзотические возможности: сжать коллективный спин для преодоления даже предела проекционного шума, картировать пространственно и временно коррелированные сигналы по полю зрения микроскопа и изучать сложные состояния многих тел в твёрдых материалах.

Цитирование: Maier, R., Ho, CI., Denisenko, A. et al. Readout of a solid state spin ensemble at the projection noise limit. Nat Commun 17, 4028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72721-0

Ключевые слова: квантовое чувствительное измерение, центры вакансий азота, проекционный шум спина, магнитометрия на алмазе, квантовые датчики в твердом теле