JP7371932B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents
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Description
(項1)
ダイヤモンドの結晶構造に色中心を有し、かつ色中心の電子スピン状態がドレスト状態であるセンサ素子。
(項2)
前記色中心は、1つの炭素原子を置換した窒素(N)と前記窒素に隣接する空孔(V)とを含んでいるダイモンドの複合体である、項1に記載のセンサ素子。
(項3)
測定対象との相互作用により変化する色中心の電子スピン状態にドレスト状態を生成するための駆動用のマイクロ波と、前記電子スピン状態を操作するための操作用の電磁波とを、前記色中心を有するセンサ素子に照射する照射部と、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態に基づいて、前記測定対象の物理量を算出する物理量測定部と、
を備える、測定装置。
(項4)
前記物理量測定部は、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態について、複数のエネルギー準位間の位相の情報を量子演算する量子回路部と、
前記量子演算後の前記位相の情報を読み出すための光を、前記センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記センサ素子に生じる変化を検出する検出部と、
前記検出された変化から前記量子演算後の前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するデータ処理部と、
を備える、項3に記載の測定装置。
(項5)
前記量子回路部は、
前記複数のエネルギー準位のそれぞれに作用する複数のアダマール作用部と、
複数の前記アダマール作用部の出力のそれぞれに作用し、量子的な補助状態に出力を加算する複数のユニタリ作用部と、
を備える、項4に記載の測定装置。
(項6)
前記色中心は、炭素原子を置換した窒素(N)と前記窒素に隣接する空孔(V)との複合体である、項3から5のいずれか1項に記載の測定装置。
(項7)
前記物理量測定部は、電子スピンとの相互作用に関連する前記物理量として、磁場、電場、温度および力学量のうち、少なくとも一つを算出する、項3から6のいずれか1項に記載の測定装置。
(項8)
色中心を有するセンサ素子に、測定対象との相互作用により変化する前記色中心の電子スピン状態にドレスト状態を生成するための駆動用のマイクロ波を照射するステップと、
前記電子スピン状態を操作するための操作用の電磁波を、前記センサ素子に照射するステップと、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態に基づいて、前記測定対象の物理量を算出するステップと、
を含む、測定方法。
(項9)
前記物理量を算出するステップは、
前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態について、複数のエネルギー準位間の位相の情報を量子演算するステップと、
前記量子演算後の前記位相の情報を読み出すための光を、前記センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記センサ素子に生じる変化を検出するステップと、
前記検出された変化から前記量子演算後の前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するステップと、
を含む、項8に記載の測定方法。
(項10)
前記量子演算を行うステップは、
前記複数のエネルギー準位のそれぞれにアダマールゲートを作用させるステップと、
複数の前記アダマールゲートの出力のそれぞれにユニタリ作用素を作用させ、複数の前記ユニタリ作用素の出力のそれぞれを、量子的な補助状態に加算するステップと、
を含む、項9に記載の測定方法。
(項11)
前記操作用の電磁波を照射するステップは、
π/2パルスを照射することにより、量子化軸に沿った電子スピンを、前記量子化軸に垂直な平面に傾ける操作を行うステップと、
πパルスを照射することにより、前記測定対象との相互作用により位相緩和された前記電子スピンを、前記平面内において反転させる操作を行うステップと、
π/2パルスを照射することにより、位相緩和された前記電子スピンを、前記量子化軸に射影する操作を行うステップと、
を含む、項8から10のいずれか1項に記載の測定方法。
(項12)
前記操作用の電磁波を照射するステップは、
π/2パルスを照射することにより、量子化軸に沿った電子スピンを、前記量子化軸に垂直な平面に傾ける操作を行うステップと、
π/2パルスを照射することにより、前記測定対象との相互作用により位相緩和された前記電子スピンを、前記量子化軸に射影する操作を行うステップと、
を含む、項8から10のいずれか1項に記載の測定方法。
本発明の第1の実施形態では、測定対象の物理量の一例として、測定対象から発生している交流磁場(alternating magnetic field)の強度を測定する場合について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る測定装置10の概略的な構成を模式的に示す図である。
図2は、一連の測定手順を行う間の、NV中心における電子スピンのエネルギー準位の変化を模式的に示す図である。図中、NV中心の量子状態を|ms,mI>で表す。msはNV中心の電子スピンであり、mIは窒素(14N)の核スピンである。
図5は、本発明の一実施形態に係る測定方法の手順を示すフローチャートである。
図6は、交流磁場をセンシングする場合の詳細な手順を示すフローチャートである。図7は、交流磁場をセンシングする場合のパルスシーケンスである。図8は、図7のパルスシーケンスに対応する電子スピンの挙動を模式的に示す図である。図8中、上側にはドレスト状態1|φ1>の電子スピンを示し、下側にはドレスト状態2|φ2>の電子スピンを示している。
本発明の第2の実施形態では、測定対象の物理量の一例として、測定対象から発生している静磁場(static magnetic field)の強度を測定する場合について説明する。
図10は、静磁場をセンシングする場合の詳細な手順を示すフローチャートである。図11は、静磁場をセンシングする場合のパルスシーケンスである。図12は、図11のパルスシーケンスに対応する電子スピンの挙動を模式的に示す図である。図12中、上側にはドレスト状態1|φ1>の電子スピンを示し、下側にはドレスト状態2|φ2>の電子スピンを示している。
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
<実施例1>
<実施例2>
<実施例3>
2 照射部
3 物理量測定部
7 電子スピン
8 相互作用
9 測定対象
10 測定装置
11 プローブ
21 駆動用マイクロ波照射部
22 操作用電磁波照射部
31 量子回路部
32 光照射部
33 検出部
34 データ処理部
51,52 アダマール作用部
53,54 ユニタリ作用部
99 ネットワーク
Claims (8)
- 測定対象との相互作用により変化する色中心の電子スピン状態にドレスト状態を生成するための駆動用のマイクロ波と、前記電子スピン状態を操作するための操作用の電磁波とを、前記色中心を有するセンサ素子に照射する照射部と、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態に基づいて、前記測定対象の物理量を算出する物理量測定部と、
を備え、
前記物理量測定部は、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態について、複数のエネルギー準位間の位相の情報を量子演算する量子回路部と、
前記量子演算後の前記位相の情報を読み出すための光を、前記センサ素子に照射する光照射部と、
前記光の照射によって前記センサ素子に生じる変化を検出する検出部と、
前記検出された変化から前記量子演算後の前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するデータ処理部と、
を備える、測定装置。 - 前記量子回路部は、
前記複数のエネルギー準位のそれぞれに作用する複数のアダマール作用部と、
複数の前記アダマール作用部の出力のそれぞれに作用し、量子的な補助状態に出力を加算する複数のユニタリ作用部と、
を備える、請求項1に記載の測定装置。 - 前記色中心は、炭素原子を置換した窒素(N)と前記窒素に隣接する空孔(V)との複合体である、請求項1または2に記載の測定装置。
- 前記物理量測定部は、電子スピンとの相互作用に関連する前記物理量として、磁場、電場、温度および力学量のうち、少なくとも一つを算出する、請求項1から3のいずれか1項に記載の測定装置。
- 色中心を有するセンサ素子に、測定対象との相互作用により変化する前記色中心の電子スピン状態にドレスト状態を生成するための駆動用のマイクロ波を照射するステップと、
前記電子スピン状態を操作するための操作用の電磁波を、前記センサ素子に照射するステップと、
前記測定対象との相互作用後の、前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態に基づいて、前記測定対象の物理量を算出するステップと、
を含み、
前記物理量を算出するステップは、
前記ドレスト状態にある前記電子スピン状態について、複数のエネルギー準位間の位相の情報を量子演算するステップと、
前記量子演算後の前記位相の情報を読み出すための光を、前記センサ素子に照射するステップと、
前記光の照射によって前記センサ素子に生じる変化を検出するステップと、
前記検出された変化から前記量子演算後の前記位相の情報を読み出し、読み出した前記位相の情報に基づいて前記物理量を算出するステップと、
を含む、測定方法。 - 前記量子演算を行うステップは、
前記複数のエネルギー準位のそれぞれにアダマールゲートを作用させるステップと、
複数の前記アダマールゲートの出力のそれぞれにユニタリ作用素を作用させ、複数の前記ユニタリ作用素の出力のそれぞれを、量子的な補助状態に加算するステップと、
を含む、請求項5に記載の測定方法。 - 前記操作用の電磁波を照射するステップは、
π/2パルスを照射することにより、量子化軸に沿った電子スピンを、前記量子化軸に垂直な平面に傾ける操作を行うステップと、
πパルスを照射することにより、前記測定対象との相互作用により位相緩和された前記電子スピンを、前記平面内において反転させる操作を行うステップと、
π/2パルスを照射することにより、位相緩和された前記電子スピンを、前記量子化軸に射影する操作を行うステップと、
を含む、請求項5または6に記載の測定方法。 - 前記操作用の電磁波を照射するステップは、
π/2パルスを照射することにより、量子化軸に沿った電子スピンを、前記量子化軸に垂直な平面に傾ける操作を行うステップと、
π/2パルスを照射することにより、前記測定対象との相互作用により位相緩和された前記電子スピンを、前記量子化軸に射影する操作を行うステップと、
を含む、請求項5または6に記載の測定方法。
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