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摘要 金剛石內(nèi)氮空位中心結(jié)構(gòu)自1997年被發(fā)現(xiàn)可以開展量子信息研究以來，由于其在室溫下具有很長的電子自旋退相干時(shí)間，純凈的自旋環(huán)境和與周圍核自旋豐富的超精細(xì)相互作用，人們開展了多方面的研...
金剛石內(nèi)氮空位中心結(jié)構(gòu)自1997年被發(fā)現(xiàn)可以開展量子信息研究以來，由于其在室溫下具有很長的電子自旋退相干時(shí)間，純凈的自旋環(huán)境和與周圍核自旋豐富的超精細(xì)相互作用，人們開展了多方面的研究，包括實(shí)現(xiàn)了單量子比特和多量子比特調(diào)控，量子寄存器，雙量子比特邏輯門操作，三量子比特糾纏態(tài)的制備和近期開展的動(dòng)力學(xué)解耦來延長退相干時(shí)間的研究，展示了該體系在固態(tài)量子信息和計(jì)算中的廣闊前景。
在過去幾年里，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的潘新宇副研究員自主設(shè)計(jì)搭建了兩套激光掃描共聚焦熒光顯微系統(tǒng)，配合自主研發(fā)的微波近場天線，開展了一系列的基于金剛石氮空位中心的量子信息研究。
最近，潘新宇副研究員與范桁研究員合作，首次在固態(tài)體系里室溫下實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化相位量子克隆機(jī)。在金剛石氮空位中心由于Zeeman效應(yīng)形成的兩個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)量子態(tài)的編碼，初態(tài)的準(zhǔn)備和量子克隆機(jī)的實(shí)現(xiàn)通過激光的泵浦和微波的兩個(gè)獨(dú)立輻射場相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的克隆機(jī)平均保真度達(dá)到85.2%，和理論計(jì)算預(yù)言的最大的保真度85.4%很接近。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在Applied Physics Letters上【99, 051113 (2011)】。
另外，潘新宇副研究員和香港中文大學(xué)的劉仁保教授合作，研究了室溫下金剛石氮空位中心的電子自旋的噪聲漲落效應(yīng)。局域場的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致量子體系的退相干，通常人們認(rèn)為在室溫情況下，熱噪聲會(huì)比量子噪聲強(qiáng)很多倍，除非有人為的方法來抑制熱噪聲比如自旋回波。該小組在室溫下實(shí)驗(yàn)上成功地觀測到金剛石的氮空位中心的電子自旋對(duì)周圍核自旋的環(huán)境所感受到的強(qiáng)的量子噪聲漲落效應(yīng)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，量子漲落和熱噪聲之間的競爭關(guān)系可以用外加的磁場來調(diào)節(jié)，隨著外磁場的增大，觀測到了從熱噪聲到量子噪聲及再回歸到熱噪聲的漸變的過程。該實(shí)驗(yàn)是基于Ramsey干涉測量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬符合得很好。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在Scientific Reports上【2, 432 (2012)】。
以上工作得到科技部“973”項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金，香港研究資助局及香港中文大學(xué)的資助。
圖1 量子克隆實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。黑色點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測量得到的Rabi振蕩曲線，紅線為擬合曲線，a圖為測得的克隆操作后ms=0態(tài)的電子布居數(shù)，理論預(yù)測值為33%，b圖為測得的布居48%，理論預(yù)測值為50%。
圖2 金剛石氮空位中心的電子自旋的Ramsey信號(hào)，在不同的外加磁場下，退相干時(shí)間和擬合曲線的n都隨磁場變化，從而表現(xiàn)出不同的噪聲漲落效應(yīng)。
圖3 三個(gè)不同的氮空位中心的退相干時(shí)間和n與外加磁場的關(guān)系。
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