Broadband Magnetometry and Temperature Sensing with a Light Trapping Diamond Waveguide
固态量子传感器由于其在室温下的优异灵敏度而引起了广泛的兴趣。特别是，金刚石中单个氮空位（NV）色心的自旋特性使其成为环境条件下磁场，电场和温度的杰出纳米级传感器。最近关于基于NV的整体磁力计、惯性传感器和时钟的工作已经采用$N$非纠缠色心来实现高达$\sqrt{N}$的灵敏度改进因子。然而，为了充分实现这种信号增强，需要新的技术来有效地激发并收集来自大NV系综的荧光。在这里，我们介绍了一个光捕获金刚石波导（LTDW）的几何形状，使高荧光收集（$\sim20\%$）和有效的泵浦吸收，实现超过$1$米在毫米大小的设备的有效路径长度。LTDW使得泵浦光子到光学检测的磁共振（ODMR）荧光的转换效率超过$2\%$，这是对先前单程几何结构的\textit{three orders of magnitude}改进。ODMR信号的这种显著增强使得能够在低于$1$ Hz的频率范围内对磁场和温度进行宽带测量，该频率范围是动态解耦技术无法达到的。我们证明了$\sim 1~\mbox{nT}/\sqrt{\mbox{Hz}}$磁场灵敏度为$0.1$ Hz至$10$ Hz，热灵敏度为$\sim 400 ~μ\mbox{K}/\sqrt{\mbox{Hz}}$，并分别估计了$\sim 0.36$ fT/ $\sqrt{\mbox{Hz}}$和$\sim 139~\mbox{pK}/\sqrt{\mbox{H…
2014-06-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Sensitive AC and DC Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Ensembles in Diamond
通过定制金刚石生长、双量子序列和P1驱动，实现了迄今最灵敏的氮-空位块体磁强计，宽带直流灵敏度约460 fT·s^1/2，窄带交流灵敏度约210 fT·s^1/2。
2023-05-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Structured-Light Magnetometry in a Coherently Controlled Atomic Medium
Indian Institute of Technology Ropar（印度技术学院罗帕尔分校）
本文提出利用结构光检测磁光旋转的方法，通过将偏振旋转映射到可直接观测的空间自由度，实现基于拓扑的空间读出磁力计。
2026-10-15 physics.atom-ph quant-ph
Universal quantum magnetometry with spin states at equilibrium
我们地址的估计的强度和磁场的方向，并表明，量子增强的精度可以通过探测任意自旋在热平衡的字段。我们推导出一个一般表达式的最终可达到的精度，给出了量子费舍尔信息，并表示这个量的共同的热力学量。我们还寻求最佳的可观察，并表明，它对应于自旋投影沿一个合适的方向，定义由一个通用的函数的自旋温度。最后，我们证明了我们的计划对测量的自旋投影从最优性的偏差的鲁棒性。
2018-05-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Kalman Filtering and the Heisenberg Limit in Atomic Magnetometry
当前高精度原子磁力测量中的散粒噪声检测极限是量子涨落的表现，其尺度为N粒子系综中N的平方根。然而，有一个普遍的期望，即条件自旋压缩提供的减少投影噪声可以被利用，以超过传统的散粒噪声限制。我们表明，连续测量加上量子卡尔曼滤波提供了一个最佳的程序，磁检测极限的规模与1/N，海森堡压缩极限。我们的分析表明，高带宽精度磁力测量的最佳估计程序的重要性。
2003-12-21 quant-ph
Electron Beam Characterization via Quantum Coherent Optical Magnetometry
本文提出利用铷原子蒸气中的量子相干光学磁测量，通过激光偏振旋转重建磁场二维投影，从而非侵入式确定电子束的位置、尺寸和电流。
2024-12-03 physics.atom-ph quant-ph
Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry
金刚石中含有氮空位（NV）中心的固态自旋系统构成了越来越受青睐的量子传感平台。然而，目前的NV系综装置表现出远离理论极限的数量级的灵敏度。灵敏度不足既妨碍了现有的实现，也限制了设想的应用空间。本文分析了现有的和建议的方法，以提高宽带集成NV-金刚石磁强计的灵敏度。自旋退相时间，读出保真度，和主机金刚石材料的性能的改进被确定为最有前途的途径，并进行了广泛的研究。我们的分析灵敏度优化建立了一个基础，以刺激发展的新技术，提高固态传感器的性能。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Quantum noise limited and entanglement-assisted magnetometry
我们实验研究原子射频磁力仪的灵敏度的基本限制。首先，我们应用一个最佳序列的状态准备，进化，和反作用规避测量，以实现近投影噪声限制的灵敏度。我们还通过实验证明了由测量产生的原子的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠增强了对脉冲磁场的灵敏度。我们在磁力计中利用1.5*10^12个原子的真正宏观系综证明了这种量子极限传感，这使我们能够实现亚飞秒特斯拉/平方（Hz）的灵敏度。
2010-03-20 quant-ph
Magnetometry via spin-mechanical coupling in levitated optomechanics
我们分析使用光学悬浮纳米金刚石的磁力。我们考虑一个配置，其中磁场梯度耦合的机械振荡的金刚石与它的自旋自由度提供的氮空位中心。首先，我们研究了机械振子位置谱的测量。我们发现，在真空和反馈冷却的条件下，允许磁场梯度灵敏度为1 $μ$ Tm $^{-1}$ / $\sqrt{\mbox{Hz}}$。在高压和室温下，这种灵敏度降低，并且可以达到100 $m$ Tm $^{-1}$ / $\sqrt{\mbox{Hz}}$数量级的值。随后，我们表征的磁场梯度灵敏度可通过操纵的自旋自由度，使用拉姆齐干涉。我们发现，这种技术可以提供光子散粒噪声和自旋投影噪声限制的磁场梯度灵敏度为100 $μ$ Tm $^{-1}$ / $\sqrt{\mbox{Hz}}$。我们的结论是，这种混合悬浮纳米机械磁力计提供了一个有利的和通用的平台，传感应用。
2017-07-28 quant-ph
Cavity-enhanced room-temperature magnetometry using absorption by nitrogen-vacancy centers in diamond
我们提出了一种基于金刚石中氮空位中心的腔增强型室温磁场传感器。使用与1042 nm自旋单态跃迁共振的光的吸收来检测磁共振。将金刚石放置在外部光学腔中以增强吸收，即使在室温下也观察到显著的吸收。我们证明了磁场灵敏度为2.5 nT/sqrt（Hz），并且对于几mW的红外线，设计了70 pT/sqrt（Hz）的光子散粒噪声限制灵敏度，并且对于90 um x 90 um 200 um的感测体积，设计了250 fT/sqrt（Hz）的量子投影噪声限制灵敏度。
2014-01-10 quant-ph
Nanoscale covariance magnetometry with diamond quantum sensors
金刚石中的氮空位（NV）中心是具有长自旋相干时间的原子级缺陷，可用于以高灵敏度和空间分辨率感测磁场。通常，通过对具有单个NV中心的许多连续测量进行平均来测量单个点处的磁场投影，或者通过对许多NV中心的集合进行空间平均来重构磁场分布。在对许多单NV中心实验求平均值时，两种技术都丢弃了信息。在这里，我们提出并实现了一种新的传感方式，即两个或更多的NV中心同时测量，我们提取的时间和空间的相关性，否则将无法访问的信号。我们解析地推导出存在环境噪声、量子投影噪声和读出噪声时的可测量两点相关器。我们表明，优化读出噪声是至关重要的测量相关性，我们实验证明测量相关的应用噪声使用两个NV中心的自旋-电荷读出。我们还实现了一个频谱重建协议，以解开本地和非本地噪声源，并证明了独立控制的两个NV中心可以用来测量的时间结构的相关性。我们的协方差磁测量方案在研究时空结构因子和动力学方面有许多应用，并开辟了纳米传感的新前沿。
2022-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced Atomic Magnetometry with a Pinched Spin State
Fudan University（复旦大学）；Institute of Modern Physics, Fudan University（复旦大学现代物理研究所）
该研究利用挤压自旋态增强原子磁力计的量子Fisher信息，通过对称频谱设计实现磁场响应增强，在紧凑多程池中实现高灵敏度双轴零场磁力计。
2026-09-23 quant-ph
Spin counting via projection noise measurement of mesoscopic solid-state spin ensemble
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；JILA, National Institute of Standards and Technology and the University of Colorado, Boulder（美国科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院联合成立的JILA实验室）
利用高对比度ODMR技术直接测量室温下NV色心介观系综的量子投影噪声，实现自旋计数并提升磁测量灵敏度。
2026-06-15 quant-ph
Precise ultra fast single qubit control using optimal control pulses
超快速和精确的量子运算在许多现代科学领域都是必需的，例如量子信息、量子精密测量和磁力测量。然而，由于旋转波近似（RWA）的崩溃，如果拉比频率与跃迁频率相当，则精度受到限制。在这里，我们报告的最优控制理论的基础上，不受这些限制的方法的实验实施。我们实现了最常用的量子门-Hadamard（π/2脉冲）和非（π脉冲）门，具有量子数（$F^{\mathrm{exp}}_{π/2}=0.9472\pm0.01$和$F^{\mathrm{exp}}_π=0.993\pm0.016$），与理论预测（$F^{\mathrm{theory}}_{π/2}=0.9545$和$F^{\mathrm{theory}}_π=0.9986$）非常一致。此外，我们证明了磁共振实验在旋转和实验室框架，我们可以故意在这两个框架之间“切换”。由于我们的技术是通用的，它可以找到广泛的应用在磁共振，量子计算，量子光学和宽带磁强计。
2014-01-19 quant-ph
Hamiltonian Engineering with Constrained Optimization for Quantum Sensing and Control
虽然量子设备依赖于组成子系统之间的交互以及与其环境的交互来操作，但仅本地交互通常无法提供目标性能。相干脉冲控制提供了定制有效相互作用的能力，称为哈密顿工程。我们提出了一种哈密顿工程方法，最大限度地提高所需的相互作用，同时减轻有害的进行脉冲序列搜索使用约束优化。优化配方采用脉冲序列长度和基数罚款符合线性或整数规划。我们将一般技术应用于具有固态自旋系综的磁力测量，其中感测自旋之间的非均匀相互作用限制了相干性。定义宽带Ramsey磁强计的品质因数，我们提出了新的脉冲序列，优于已知的技术，自旋1/2和自旋-1系统的homomands自旋去耦。当应用于金刚石中的氮空位（NV）中心时，该方案部分地保留塞曼相互作用，同时使带负电荷的NV $^{\text -}$中心之间的偶极耦合归零。这种方案对于已经达到NV $^\text{-}$ -NV $^\text{-}$耦合极限的NV $^\text{-}$磁力计是有意义的。我们讨论了NV合奏的实验实施，以及目前的方法更一般的自旋浴解耦和超导量子位控制的适用性。
2019-02-28 quant-ph
Broadband characterization of polarization mode dispersion for quantum communication channels
Technology Innovation Institute（技术创新研究所）；National University of Singapore（新加坡国立大学）
提出一种表征携带宽带量子信号的偏振光纤信道的方法，利用带平均旋转矩阵奇异值分解得出最优输入态等，其奇异值提供信道特征，还给出不忠度带宽及应用示例。
2026-10-30 physics.optics quant-ph
Tracking time-varying signals with quantum-enhanced atomic magnetometers
该研究将估计控制技术适配到自旋进动磁力计实验场景，证明测量诱导自旋压缩可提升时变磁场实时跟踪灵敏度，且退相干决定的量子极限可通过当前实验实现，为量子增强瞬态传感提供了实验可行路径。
2025-10-30 quant-ph
Quantum noise in a squeezed-light-enhanced multiparameter quantum sensor
ICFO - Institut de Ciències Fotòniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（光子科学研究所，巴塞罗那科学技术研究院）；ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats（加泰罗尼亚高级研究学院）
本文研究了利用 squeezed light 提高多参数量子传感器灵敏度的方法，揭示了量子噪声源之间的相互作用及灵敏度与反馈作用的权衡。
2026-02-05 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Detection of photon-level signals embedded in sunlight with an atomic photodetector
ICFO - Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（光子科学研究所，巴塞罗那科技研究院）；ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats（加泰罗尼亚研究高级学院）
本文提出利用原子光电探测器在强阳光背景下检测嵌入其中的光子信号，通过建立速率方程模型验证了该方法的有效性，并计算了在噪声通信信道中传输弱相干态时的信道容量，实现了每符号0.5比特的代表速率。
2026-03-03 physics.atom-ph quant-ph
Squeezing the angular momentum of an ensemble of complex multi-level atoms
集体原子自旋的压缩已经被证明可以提高原子钟和磁力计的灵敏度，使其水平大大低于标准量子极限。在大多数情况下，所需的原子-原子纠缠已经通过与量子化探测场的色散相互作用或通过量子气体中的状态依赖碰撞产生。这种实验通常使用复杂的多级原子，如Rb或Cs，相关的相互作用设计，使原子的行为像伪自旋$1/2$粒子。我们证明了自旋压缩的可行性集体自旋组成的物理角动量的$\sim 10^6$铯原子，每个内部自旋4超精细状态。通过色散量子非破坏（QND）测量的量子反作用产生了$\gtrsim -5$ dB的峰值压缩，使用双色光学探针，在不牺牲测量强度的情况下最大限度地减少张量光位移。其他重要的发展包括成功应用复合脉冲技术，通过对最先进的磁屏蔽内的背景磁场进行宽带抑制，对集体自旋进行精确的动态控制。由于没有经典噪声，我们可以将观测到的量子投影噪声和压缩与一个理论模型进行比较，该模型既能正确解释相关的原子物理学，又能正确解释集体自旋的空间模式，从而找到了良好的定量一致性，从而验证了它在其他背景下的应用。因此，我们的工作为量子反馈、确定性压缩、闭环磁力测量和基于连续QND测量和反馈的新型量子模拟的实验奠定了基础。
2020-10-09 physics.atom-ph quant-ph
Robust Quantum Sensing via Prethermal Spin Orbits
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Leipzig University（莱比锡大学）
本文提出一种保护性磁力计方案，利用周期性驱动将集体磁化方向导向长寿命的预热Floquet轨道轴，实现对背景场的强抑制，从而在无预测滤波或频谱调谐的情况下准确重建快速变化的音频带磁信号。
2026-03-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Magic-wavelength Faraday probe measures spin continuously and without light shifts
本文描述了一种色散法拉第原子自旋探针，它能连续地对量子气体的自旋投影进行超过一秒钟的微弱测量。到目前为止，将明亮的远共振探针聚焦到量子气体上已被证明是侵入性的，这是由于强烈的标量和矢量光位移产生偶极和Stern-Gerlach力。我们发现，调谐探针附近的魔零波长在790 nm之间的精细结构的双重的$^{87}$ Rb取消标量光移位，和偏振的仔细控制消除了矢量光移位。法拉第旋转由于每个精细结构线加强在这个波长，提高了信噪比的固定速率的探针诱导的退相干。使用这种微创自旋探针，我们进行高时间分辨率的微尺度原子磁力。对单个旋量玻色-爱因斯坦凝聚体的拉莫尔旋进信号的谱图分析测量时变磁场强度，每5 ms精确度为1 μG;或者等效地，以$10\,\mathrm{pT/\sqrt{Hz}}$灵敏度进行> 200次连续测量。
2017-05-31 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
A spin-refrigerated cavity quantum electrodynamic sensor
本文提出强耦合cQED混合系统、非线性模型与自旋制冷方法，提升NV自旋系综读出并抑制微波热噪声，在环境条件下实现580 fT/√Hz磁力灵敏度。
2024-04-16 quant-ph
Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource
本文提出利用光学不可分辨的NV中心对和核自旋作为多量子比特传感器测量相关噪声的协议，通过相位循环区分磁关联与方差波动、利用13C核实现相干翻转、创建贝尔态直接读取关联，将灵敏度缩放从二次变为线性，提升纳米尺度协方差磁测量性能。
2025-04-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
