[發明專利]一種轉動信息測量方法、裝置及量子陀螺儀

有效

• 申請號: 201711192041.5
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN108007450B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 宋學瑞;王留軍;馮付攀;刁文婷;段崇棣
• 申請（專利權）人: 西安空間無線電技術研究所
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明提供一種轉動信息測量方法、裝置及量子陀螺儀，屬于應用物理技術領域。所述轉動信息測量方法，包括：將量子體系的量子態制備到疊加態，所述量子體系為金剛石內耦合的NV色心與¹³C核自旋；當所述量子體系轉動時，確定所述量子態產生的Berry相位；根據確定的Berry相位確定轉動信息。通過利用金剛石內耦合的NV色心與¹³C核自旋量子體系進行轉動信息測量，由于量子體系具備原子尺度的特征，使得轉動信息測量的空間分辨率提升到納米尺度；由于¹³C核自旋相干時間(ms)較NV色心電子自旋相干時間(μs)大很多，基于該量子體系實現的陀螺儀在探測靈敏度上有大幅提升；相較于NV?¹⁴N量子體系，本發明量子態極化過程無需強磁場的參與，極大降低了實現難度。

技術領域

本發明提供一種轉動信息測量方法、裝置及量子陀螺儀，屬于應用物理技術領域。

背景技術

陀螺儀是慣性測量技術的核心器件，在慣性導航、精確制導、自動化控制和基礎物理研究等領域都有重要應用價值。發展高靈敏度、小型化的陀螺儀意義重大。目前前沿研究多集中在基于堿金屬原子的自旋陀螺，近幾年出現的固態中的點缺陷自旋量子體系如金剛石中的NV色心、SiC晶體中的SiV色心等為發展新式陀螺提供了可選擇的全新物理實現體系。

NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金剛石中的一種點缺陷，它是由金剛石晶格中的一個N原子替位連接一個C原子空位組成的。由于優異的光學與自旋特性，金剛石NV色心固態量子比特近年來在量子信息、納米尺度高靈敏度磁場、電場、溫度以及自旋探測等領域得到廣泛應用與研究。量子態在機械轉動的作用下會產生Berry相位，通過測量相位信息可以得出轉動信息。由于金剛石體內的電子和核自旋具備較長的相干時間，利用NV色心或包含NV色心的相關量子自旋體系在絕熱機械轉動的情況下實現Berry相位的測量并以此原理發展新式陀螺具備可行性。

在量子物理中，若量子體系的哈密頓量H(R(t))與參數R有關，并且在參數空間隨參數做絕熱的周期性演化(R(T)＝R(0))，那么經過時間t以后，量子態的波函數除了得到動力學相位項exp(-iEt/h),還會得到另外一個相位項exp(iβ),即Berry相位項。考慮自旋沿相對于其量子軸為θ的軸做轉動，對于絕熱的轉動過程，Berry相位與轉過的立體角有關exp(iβ_n(C))＝exp(-inΩ(C))，當θ為常數時，以角速度ω轉動時間t有β_n(C)＝n(1-cosθ)ωt，其中n為自旋量子數，因此可以通過測量量子態Berry相位得到信息。利用該原理，目前已經相繼提出了利用NV色心單量子比特(Maclaurin,D.,M.Doherty,et al.,Measurablequantum geometric phase from a rotat ing s ingle spin.Phys ical ReviewLetters108,240403(2012).)、NV色心系綜(Ledbetter,M.P.,K.Jensen,et al.,Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond.Phys ical Review A86,052116(2012).)、NV-¹⁴N系綜(Ajoy,A.and P.Cappel laro.et al.,Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamond.Phys ical Review A 86,062104(2012).)等量子體系實現陀螺儀的方案。

在這其中，一方面，NV色心自旋系綜量子比特受附近電子自旋和核自旋環境噪聲的影響，其相干時間被限制在μS量級以下，嚴重限制了探測帶寬和靈敏度。另一方面，基于NV-¹⁴N核自旋系綜的陀螺儀其核自旋極化過程需要-510Gs較強磁場的參與，限制了其未來實際應用。

發明內容