[发明专利]一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪

说明书

本发明提供一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪，属于应用物理技术领域。所述转动信息测量方法，包括：将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与¹³C核自旋；当所述量子体系转动时，确定所述量子态产生的Berry相位；根据确定的Berry相位确定转动信息。通过利用金刚石内耦合的NV色心与¹³C核自旋量子体系进行转动信息测量，由于量子体系具备原子尺度的特征，使得转动信息测量的空间分辨率提升到纳米尺度；由于¹³C核自旋相干时间(ms)较NV色心电子自旋相干时间(μs)大很多，基于该量子体系实现的陀螺仪在探测灵敏度上有大幅提升；相较于NV‑¹⁴N量子体系，本发明量子态极化过程无需强磁场的参与，极大降低了实现难度。

技术领域

本发明提供一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪，属于应用物理技术领域。

背景技术

陀螺仪是惯性测量技术的核心器件，在惯性导航、精确制导、自动化控制和基础物理研究等领域都有重要应用价值。发展高灵敏度、小型化的陀螺仪意义重大。目前前沿研究多集中在基于碱金属原子的自旋陀螺，近几年出现的固态中的点缺陷自旋量子体系如金刚石中的NV色心、SiC晶体中的SiV色心等为发展新式陀螺提供了可选择的全新物理实现体系。

NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金刚石中的一种点缺陷，它是由金刚石晶格中的一个N原子替位连接一个C原子空位组成的。由于优异的光学与自旋特性，金刚石NV色心固态量子比特近年来在量子信息、纳米尺度高灵敏度磁场、电场、温度以及自旋探测等领域得到广泛应用与研究。量子态在机械转动的作用下会产生Berry相位，通过测量相位信息可以得出转动信息。由于金刚石体内的电子和核自旋具备较长的相干时间，利用NV色心或包含NV色心的相关量子自旋体系在绝热机械转动的情况下实现Berry相位的测量并以此原理发展新式陀螺具备可行性。

在量子物理中，若量子体系的哈密顿量H(R(t))与参数R有关，并且在参数空间随参数做绝热的周期性演化(R(T)＝R(0))，那么经过时间t以后，量子态的波函数除了得到动力学相位项exp(-iEt/h),还会得到另外一个相位项exp(iβ),即Berry相位项。考虑自旋沿相对于其量子轴为θ的轴做转动，对于绝热的转动过程，Berry相位与转过的立体角有关exp(iβ_n(C))＝exp(-inΩ(C))，当θ为常数时，以角速度ω转动时间t有β_n(C)＝n(1-cosθ)ωt，其中n为自旋量子数，因此可以通过测量量子态Berry相位得到信息。利用该原理，目前已经相继提出了利用NV色心单量子比特(Maclaurin,D.,M.Doherty,et al.,Measurablequantum geometric phase from a rotat ing s ingle spin.Phys ical ReviewLetters108,240403(2012).)、NV色心系综(Ledbetter,M.P.,K.Jensen,et al.,Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond.Phys ical Review A86,052116(2012).)、NV-¹⁴N系综(Ajoy,A.and P.Cappel laro.et al.,Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamond.Phys ical Review A 86,062104(2012).)等量子体系实现陀螺仪的方案。

在这其中，一方面，NV色心自旋系综量子比特受附近电子自旋和核自旋环境噪声的影响，其相干时间被限制在μS量级以下，严重限制了探测带宽和灵敏度。另一方面，基于NV-¹⁴N核自旋系综的陀螺仪其核自旋极化过程需要-510Gs较强磁场的参与，限制了其未来实际应用。

发明内容