我院量子精密测量实验室提出了一种基于时间分辨荧光的有效且稳健的电子-核自旋量子态层析（QST）方法，该方法可以将测量过程中的噪声降低到散粒噪声极限且是免校准的。这一方法能够显著提高NV色心量子传感器的性能，为未来的量子信息和量子测量技术提供了新的工具。

图1.通过归一化操作实现荧光光子计数的噪声降低到标准量子极限，实现无校准的量子态层析。

金刚石中的NV色心是一种固态量子系统，其中电子自旋与周围的核自旋耦合，形成天然的多量子比特系统。这种系统具有长相干时间、高灵敏度和纳米空间分辨率，广泛应用于量子传感领域。传统的量子态层析通常依赖荧光光子计数方法，需要一系列旋转操作来获得不同基态的布居。随着量子比特数目的增加，所需的测量次数和时间呈指数增长，这使得传统方法在多量子比特系统中的应用变得非常耗时。

量子精密测量团队引入了一种基于时间分辨荧光的方法，与传统的光子计数方法相比，显著优化了所有基态之间的信噪比（SNR）。实验结果表明，与光子计数方法相比，基于时间分辨荧光的量子态断层扫描方法能够将信噪比提升7.1%到29.6%。这一方法能够在一次测量中直接获得四个基态的布居，极大地加快了量子态断层扫描的过程。此外，通过归一化操作，该方法可以将荧光光子计数的噪声降低到标准量子极限，表明该方法无需校准，进一步简化和加速了量子态断层扫描过程。

该方法不仅能够用于多核自旋的NV色心系统，还可以扩展到其他基于荧光检测的固态自旋系统，如氮化硼（hBN）和碳化硅（SiC）等。由于其高通用性和对环境波动的鲁棒性，该方法为量子态断层扫描技术的发展提供了一种强有力的新工具。该成果以“Effective and robust quantum state tomography of electron-nuclear spins in diamond by time-resolved fluorescence”为题，发表在Appl. Phys. Lett. 125, 074001 (2024)上。该研究工作第一单位为合肥工业大学，第一作者为物理学院研究生章如建同学，通讯作者分别为朱百强博后、钱鹏副研究员和陈冰教授。研究工作得到了科技部重点研发、国家自然科学基金、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助。

（于志飞/图、文   高伟清/审核）