利用量子传感器对微波进行外差传感

撰稿人| 由钟雨豪

微波频率场的精确探测在天文、雷达、量子电路系统中的量子光学以及电子自旋信号或与声子的耦合等领域有着广泛的应用。振荡磁场由其振幅和频率来描述，要求传感器在很宽的频率范围内具有高灵敏度和高光谱分辨率。金刚石量子传感器对与自旋跃迁共振的弱微波磁场非常敏感，但是其光谱分辨率受到传感器寿命的限制。近日，德国斯图加特大学量子科学与技术研究所、普朗克固态研究所的Jonas Meinel和Jörg Wrachtru团队展示了一种微波外差探测方法（MW），在GHz范围内实现了与寿命无关的光谱分辨率。他们通过从相干源产生初始叠加态，将MW信号引用到局域振子。该工作对今后在宽频率范围、高光谱分辨率下探测微弱微波信号的研究具有重要意义。该研究成果以“Heterodyne sensing of microwaves with a quantum sensor”为题，发表于《Nature Communications》。Jonas Meinel和Jörg Wrachtru为共同通讯作者。

微波频率场的精确探测在宇宙学、雷达、具有量子电路系统的量子光学以及电子自旋信号或与声子的耦合中有着广泛的应用。振荡磁场由其振幅和频率来描述，要求传感器在很宽的频率范围内具有高灵敏度和高光谱分辨率。

原子系统，如金刚石中的氮空位（NV）中心，通过电子自旋跃迁提供微波（MW）传感平台。此外，光子泵浦自旋态，其有效的传感器温度约为10mK（99%偏振），因此能够解析出单光子能级信号。然而，对于任何量子传感器，光谱分辨率和灵敏度都与系统的寿命息息相关。最近在动态解耦序列的实验控制方面取得的进展能够将灵敏度与光谱分辨率分离，并应用于NV中心的核磁共振（NMR）检测。低于1Hz的频谱分辨率可以检测到射频信号，如果目标频率超过10MHz，它们便失效了。因此，基于电子自旋跃迁吸收的分子量探测协议虽然可能达到高灵敏度和大光谱范围，但在光谱分辨率方面受到限制。 

金刚石量子传感器对与自旋跃迁共振的弱微波磁场非常敏感。然而，这种系统的光谱分辨率最终受到传感器寿命的限制。本文展示了一种微波外差探测方法（MW），在GHz范围内实现了与寿命无关的光谱分辨率。他们通过从相干源产生初始叠加态，将MW信号引用到局域振子。实验上，他们对4 GHz信号实现了低于1Hz的频谱分辨率，远低于传感器寿命极限。此外，本文还通过在强纵向射频驱动下施加敷料场、脉冲软体动物吸收和Floquet动力学，来控制MW场与两能级系统的相互作用。当脉冲软体动物吸收导致灵敏度提高时，Floquet动力学允许鲁棒控制，独立于系统的共振频率。该工作对今后在宽频率范围、高光谱分辨率下探测微弱微波信号的研究具有重要意义。

图1 微波外差探测原理及其量子传感器实现。a)利用NV中心传感器作为混频器，对与外部频率基准相关的多模微波频率场进行外差检测。测试采用两种技术：（1）采用动态解耦序列的脉冲软体动物吸收和（2）强射频驱动下的Floquet动力学。解调后的信号具有很高的光谱分辨率。b) 从连续测量之间的相干外部微波源初始化（蓝色）创建相同的初始状态进行外差探测。长相干信号（橙色）在旋转框架中频闪观测到。最后，测量到灵敏度范围内的最终态z-投影（绿色），能够重建相对微波相位。

图2 通过相位演化的微波场外差探测。当NV中心被初始化并用绿色激光脉冲（绿色）识别，并测量出外部基准通过π/2的脉冲信号（1和2）（蓝色）。外部源的相位相对于信号1演变(Δω1 = 2π ⋅ 50.138 kHz）和信号2(Δω2 = Δω1 + 2π ⋅ 482Hz），Δω_1,2,Δt表示两次测量差。（b）被测光子计数器时间轨迹的自相关。可以清楚地识别两个信号之间的跳动，包括（c）中所示的快速振荡。d)傅里叶谱。在（e）中，FFT峰值的线宽是相关长度的函数。

图3 a)外差检测与动态解耦序列兼容。从初始两级系统创建一个解耦序列，与某种边带共振的微波场在自旋的参考系中旋转。b)感测相对于脉冲序列的振荡场相位Ω_y（t）。c)三个外差测量的解调信号光谱，每个都有一个软体边带三重态跃迁。蓝色：共振跃迁ω_s、 绿色：射频频率Ω_dd;红色：软边带ω_s+Ω_dd。

图4 纵向射频调整的微波探测。a)射频驱动产生新的能量态E_0,m=mω_rf和E_1,m=ω_s+mω_rf。生成边带ω = ωs+Δmω_rf。b）探索这些转变的实验方案。初始化和读出绿色激光脉冲，然后同步射频（蓝色）和微波（橙色）驱动。c）光探测磁共振波谱ω射频显示Floquet边带的倍数ω射频。d)拉比振荡。选择射频的幅度使得Rabi频率对于第一边带是最大的。

图5 利用Floquet修饰态进行外差探测。a)实验方案：电子自旋（绿色）的光光初始化和识别，旋转框架的π/2脉冲（蓝色）。MW信号（橙色）和参考信号之间的解调频率由Δω−ω_rf第一边带的射频。b)传感器响应是系统中信号相位的函数，而射频相位是固定的。c)Floquet-dressed系统10⁶个相干测量中MW场的外差探测。射频场的相位由ϕ_i+1=ϕ_i+45°, 提供最大的传感器响应(Δω = ωrf）同时将信号频率移动到ν_demod=1/8的采样频率。

这项工作将外差量子传感技术应用于GHz频率，它将基于吸收的微波传感转换为外差方案，将分辨率扩展到传感器的T₁之外，即低于1 赫兹。本文提出的外差探测技术可以应用于三种不同的系统，即二能级系统、软体动物三重态系统和Floquet-dressed系统，其关键要求是能够使它们对入射信号的相位敏感。虽然两电平系统的最简单情况说明了其工作原理，但将Floquet射频驱动添加到外差传感中，能够控制与信号的相互作用，并创建独立于两电平系统频带的稳定边带。并且，研究人员克服了微波环境下量子传感器的光谱分辨率问题。这在感应微弱和高度相干的微波信号时非常重要，例如在微波激射器、量子雷达和多普勒测速技术、微弱宇宙辐射或无线通信协议中。该方法适用于B₀场的大范围，在B₀场中实现NV自旋操纵，进而在B₀场中探测MW频率（≈0–100 GHz）。此外，脉冲软体外差序列可直接应用于大信号微波场的高动态范围感测，如射频场。传感中的外差方法引入了量子系统的序贯弱测量概念，这对于测量介观玻色子或费米子系统在高频下的量子行为和量子反馈具有潜在的重要意义。

 文章链接

Meinel, J., Vorobyov, V., Yavkin, B. et al. Heterodyne sensing of microwaves with a quantum sensor. Nat Commun 12, 2737 (2021).

Doi:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22714-y