Optimal control for duty-cycle-limited interferometry with single-NV centers

在不伤害活细胞的情况下测量其内部温度是现代科学中最困难的挑战之一。为了观察单个线粒体或微小的癌症治疗所产生的热量，科学家需要一种比病毒还小、且灵敏度足以检测出小于一度变化的温度计。多年来，研究人员一直尝试利用氮-空位中心（钻石内部的微小缺陷，其作用类似于原子尺度的指南针）来解决这个问题。这些缺陷之所以特殊，是因为它们的内部状态会在感受到磁场时发生变化，而由于温度可以转化为磁场，这些缺陷便可以充当温度计。然而，当科学家试图将它们应用于细胞这种潮湿、杂乱的环境时，他们面临着一个困境：同时使用许多缺陷会产生模糊的信号，而仅使用一个缺陷通常需要照射非常明亮的、可能具有破坏性的激光光线才能获得清晰的读数。

一支研究团队现在找到了一种方法，可以在不需要那种具有破坏性的亮度的情况下，从单个钻石缺陷中获得更清晰的读数。他们开发了一种新方法，通过一系列精心设计的定时微波脉冲来控制缺陷的内部状态。通过将这些脉冲排列成特定的模式，他们能够从每次测量中提取出比以往认为更多的温度信息。他们的工作表明，通过改变测量方式，而非仅仅制造更好的传感器，我们可以将这些纳米级温度计的精度提高约百分之二十五。这一改进意义重大，因为它允许在脆弱、对光敏感的生物活体内进行更准确的温度测量，同时保持与之前相同的光照量。

故事始于一个能将热量转化为磁力的巧妙装置。想象一滴特殊的凝胶，它在变热时膨胀，在变冷时收缩。附着在这个凝胶上的是一个微型磁铁。随着凝胶的膨胀或收缩，附近的钻石内部单个氮-空位中心与磁铁之间的距离会发生变化。由于磁场随远离其源头而迅速减弱，即使是极其微小的距离变化也会导致钻石缺陷感受到的磁场发生巨大偏移。这种偏移作为一个信号，精确地告诉缺陷凝胶的具体温度。这套装置是一个两阶段的转换器：首先，凝胶将热量转化为运动；然后，磁铁将这种运动转化为钻石缺陷可以读取的磁场。

过去使用这种装置时存在的问题是，科学家通常依赖大量的钻石缺陷来获得足够强的信号。但当你把许多缺陷密集地放置在磁铁附近时，磁场并不是均匀的；它在不同缺陷之间会有细微的变化。这种变化会模糊信号，就像试图在嘈于嘈杂的房间里听清一个人的声音。为了解决这个问题，研究人员提议只使用一个缺陷。然而，单个缺陷非常微弱。为了清晰地听到它，你通常需要长时间照射非常明亮的激光。在活细胞中，那么多的光可能会“煮熟”细胞或损坏其 DNA，使测量变得不可能。此外，这种监听这些缺陷的标准方法（称为 Ramsey 干涉测量法）在环境嘈杂（生物液体环境总是如此）的情况下效率并不高。

这项研究中的研究人员提出了一个不同的问题：与其试图用更多的光让信号变大声，是否可以通过让测量变得更聪明？他们将这个单缺陷视为一个量子计算机位，并设计了一套新的微波脉冲序列来控制它。把这个缺陷想象成一个旋转的陀螺。在标准方法中，你让陀螺自由旋转一段时间，然后检查它的方向。在新方法中，研究人员通过微波场给这个陀螺进行一系列精确的“轻敲”。这些轻敲不仅让陀螺保持旋转，还塑造了它在空间中的路径。目标是找到一种轻敲模式，使陀螺能够在环境噪声导致其迷失方向之前，更长时间地收集关于温度的信息。

利用强大的计算机模拟，团队测试了数百万种脉冲模式，以寻找效果最好的那一种。他们发现了一种特定的策略，即在大部分测量时间内，将缺陷保持在一个稳定的、受保护的状态，仅在最后时刻才进入敏感状态以记录结果。这类似于在等待信号时稳住一件精密的仪器，只在最后可能的时刻将其移动到位置进行读数。这种方法保护了信息不被环境中的噪声所冲刷。模拟显示，与最好的标准方法相比，这种新方法能从单次测量中提取大约百分之二十五到二十七更多的信息。

这种增益不仅仅是一个理论数字；它直接转化为更好的性能。因为新方法在每次“发射”时能获得更多信息，这意味着在向样本输送相同量光线的情况下，温度可以被测量得更精确。或者，为了达到以前的精度，研究人员可以使用更少的光，这对于保持活细胞存活至关重要。这种改进在测量过程缓慢或必须严格限制光照暴露时最为明显，而这正是生物实验中所处的条件。团队发现，如果两次测量之间的等待时间较长，他们的新方法的优势就会增长，最终达到比旧方法高效约百分之六十的极限。

研究人员还仔细研究了为什么这种新方法如此有效。他们发现，脉冲序列有效地将缺陷“隐藏”起来，使其免受通常会破坏测量的噪声影响。在大部分时间内，缺陷被保持在一个位置，对液体环境中发生的快速信息丢失具有免疫力。只有在序列的最末端，缺陷才被允许与温度信号发生相互作用。这种“隐藏”机制使得测量能够比通常情况下持续更长时间，从而在信号衰减之前捕捉到更多细节。团队证实，这不仅仅是时机的问题，而是信息处理方式的一个根本性变化。

虽然目前的结果基于计算机模拟，但其背后的物理原理是可靠的，并且使用的是实验人员现有的工具。团队并没有发明新的硬件，只是将现有的微波脉冲重新排列成了更高效的模式。这意味着这种改进可以在实际实验中实施，而无需建造新机器。该方法具有鲁棒性，意味着即使设备没有经过完美校准也能正常工作，而且它不需要任何额外的激光或复杂的设置。唯一的要求是能够高精度地控制微波脉冲的时序，这在现代量子传感实验室中是标准配置。

这项工作的意义不仅限于测量温度。通过塑造量子传感器的响应，同样的原理也可以应用于其他类型的测量，例如检测 pH 值或特定酶，只要它们能转化为磁信号。通过证明“最优控制”可以从单个量子传感器中榨取更多价值，研究人员为在最小尺度上研究生命开辟了一条通往更灵敏、更无创工具的道路。这项工作表明，纳米级传感器的未来可能不在于制造更亮的灯光或更大的传感器，而在于找到正确的方法去聆听那些已经存在的微弱信号。