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金刚石氮空位中心自旋量子调控

刘刚钦 邢健 潘新宇

金刚石氮空位中心自旋量子调控

刘刚钦, 邢健, 潘新宇
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  • 量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.
      通信作者: 刘刚钦, gangqinliu@gmail.com;xypan@aphy.iphy.ac.cn ; 潘新宇, gangqinliu@gmail.com;xypan@aphy.iphy.ac.cn
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB921402,2015CB921103)、中国科学院战略先导科技专项(B类)(批准号:XDB07010300)、国家自然科学基金(批准号:11574386)和中国科学院B类先导科技专题培育项目(批注号:XDPB0803)资助的课题.
    [1]

    Ladd T D, Jelezko F, Laflamme R, Nakamura Y, Monroe C, O'Brien J L 2010 Nature 464 45

    [2]

    Feynman R P 1982 Int. J. Theor. Phys. 21 467

    [3]

    Shor P W 1994 SIAM J. Comput. 26 1484

    [4]

    Grover L K 1997 Phys. Rev. Lett. 79 325

    [5]

    Dobrovitski V V, Fuchs G D, Falk A L, Santori C, Awschalom D D 2013 Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 4 23

    [6]

    Rondin L, Tetienne J P, Hingant T, Roch J F, Maletinsky P, Jacques V 2014 Reports Prog. Phys. 77 056503

    [7]

    Doherty M W, Manson N B, Delaney P, Jelezko F, Wrachtrup J, Hollenberg L C L 2013 Phys. Rep. 528 1

    [8]

    Childress L, Hanson R 2013 MRS Bull. 38 134

    [9]

    Li J, Cui J Y, Yang X D, Luo Z H, Pan J, Yu Q, Li Z K, Peng X H, Du J F 2015 Acta Phys. Sin. 64 167601 (in Chinese)[李俊, 崔江煜, 杨晓东, 罗智煌, 潘健, 余琦, 李兆凯, 彭新华, 杜江峰 2015 物理学报 64 167601]

    [10]

    Liu G Q, Pan X Y 2018 Chin. Phys. B 27 020304

    [11]

    Chen M, Meng C, Zhang Q, Duan C K, Shi F, Du J F 2017 Natl. Sci. Rev. DOI:101093/nsr/nwx121

    [12]

    Degen C L, Reinhard F, Cappellaro P 2017 Rev. Mod. Phys. 89 035002

    [13]

    Schirhagl R, Chang K, Loretz M, Degen C L 2014 Annu. Rev. Phys. Chem. 65 83

    [14]

    Beha K, Batalov A, Manson N B, Bratschitsch R, Leitenstorfer A 2012 Phys. Rev. Lett. 109 097404

    [15]

    Gruber A, Drabenstedt A, Tietz C, Fleury L, Wrachtrup J, von Borczyskowski C 1997 Science 276 2012

    [16]

    Liu Y, Kong F, Shi F, Du J 2016 Sci. Bull. 61 1132

    [17]

    Drau A, Lesik M, Rondin L, Spinicelli P, Arcizet O, Roch J F, Jacques V 2011 Phys. Rev. B 84 195204

    [18]

    Liu G Q, Pan X Y, Jiang Z F, Zhao N, Liu R B 2012 Sci. Rep. 2 432

    [19]

    Marseglia L, Hadden J P, Stanley-Clarke A C et al. 2011 Appl. Phys. Lett. 98 133107

    [20]

    Jiang Q, Liu D, Liu G, Chang Y, Li W, Pan X, Gu C 2014 J. Appl. Phys. 116 044308

    [21]

    Jarmola A, Acosta V M, Jensen K, Chemerisov S, Budker D 2012 Phys. Rev. Lett. 108 197601

    [22]

    Zhao N, Ho S W, Liu R B 2012 Phys. Rev. B 85 115303

    [23]

    Maurer P C, Kucsko G, Latta C, Jiang L, Yao N Y, Bennett S D, Pastawski F, Hunger D, Chisholm N, Markham M, Twitchen D J, Cirac I, Lukin M D 2012 Science 336 1283

    [24]

    Liu D Q, Liu G Q, Chang Y C, Pan X Y 2014 Physica B 432 84

    [25]

    Naydenov B, Dolde F, Hall L T, Shin C, Fedder H, Hollenberg L C L, Jelezko F, Wrachtrup J 2011 Phys. Rev. B 83 081201

    [26]

    Childress L, Dutt M V G, Taylor J M, Zibrov A S, Jelezko F, Wrachtrup J, Hemmer P R, Lukin M D 2006 Science 314 281

    [27]

    Hanson R, Dobrovitski V V, Feiguin A E, Gywat O, Awschalom D D 2008 Science 320 352

    [28]

    Jacques V, Neumann P, Beck J, Markham M, Twitchen D, Meijer J, Kaiser F, Balasubramanian G, Jelezko F, Wrachtrup J 2009 Phys. Rev. Lett. 102 057403

    [29]

    Liu G Q, Jiang Q Q, Chang Y C, Liu D Q, Li W X, Gu C Z, Po H C, Zhang W X, Zhao N, Pan X Y 2014 Nanoscale 6 10134

    [30]

    London P, Scheuer J, Cai J M, Schwarz I, Retzker A, Plenio M B, Katagiri M, Teraji T, Koizumi S, Isoya J, Fischer R, McGuinness L P, Naydenov B, Jelezko F 2013 Phys. Rev. Lett. 111 067601

    [31]

    Liu G Q, Xing J, Ma W L, Wang P, Li C H, Po H C, Zhang Y R, Fan H, Liu R B, Pan X Y 2017 Phys. Rev. Lett. 118 150504

    [32]

    Robledo L, Childress L, Bernien H, Hensen B, Alkemade P F A, Hanson R 2011 Nature 477 574

    [33]

    Neumann P, Beck J, Steiner M, Rempp F, Fedder H, Hemmer P R, Wrachtrup J, Jelezko F 2010 Science 329 542

    [34]

    Drau A, Spinicelli P, Maze J R, Roch J F, Jacques V 2013 Phys. Rev. Lett. 110 060502

    [35]

    Liu G Q, Po H C, Du J F, Liu R B, Pan X Y 2013 Nat. Commun. 4 2254

    [36]

    Liu G Q, Zhang Y R, Chang Y C, Yue J D, Fan H, Pan X Y 2015 Nat. Commun. 6 6726

    [37]

    Pan X Y, Liu G Q, Yang L L, Fan H 2011 Appl. Phys. Lett. 99 051113

    [38]

    Chang Y C, Liu G Q, Liu D Q, Fan H, Pan X Y 2013 Sci. Rep. 3 1498

    [39]

    Wang N, Liu G Q, Leong W H, Zeng H L, Feng X, Li S H, Dolde F, Fedder H, Wrachtrup J, Cui X D, Yang S, Li Q, Liu R B 2018 Phys. Rev. X 8 011042

    [40]

    Zhu X, Saito S, Kemp A, Kakuyanagi K, Karimoto S, Nakano H, Munro W J, Tokura Y, Everitt M S, Nemoto K, Kasu M 2011 Nature 478 221

    [41]

    Hensen B, Bernien H, Drau A E, Reiserer A, Kalb N, Blok M S, Ruitenberg J, Vermeulen R F L, Schouten R N, Abelln C, Amaya W, Pruneri V, Mitchell M W, Markham M, Twitchen D J, Elkouss D, Wehner S, Taminiau T H, Hanson R 2015 Nature 526 682

    [42]

    Casola F, van der Sar T, Yacoby A 2018 Nat. Rev. Mater. 3 17088

  • [1]

    Ladd T D, Jelezko F, Laflamme R, Nakamura Y, Monroe C, O'Brien J L 2010 Nature 464 45

    [2]

    Feynman R P 1982 Int. J. Theor. Phys. 21 467

    [3]

    Shor P W 1994 SIAM J. Comput. 26 1484

    [4]

    Grover L K 1997 Phys. Rev. Lett. 79 325

    [5]

    Dobrovitski V V, Fuchs G D, Falk A L, Santori C, Awschalom D D 2013 Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 4 23

    [6]

    Rondin L, Tetienne J P, Hingant T, Roch J F, Maletinsky P, Jacques V 2014 Reports Prog. Phys. 77 056503

    [7]

    Doherty M W, Manson N B, Delaney P, Jelezko F, Wrachtrup J, Hollenberg L C L 2013 Phys. Rep. 528 1

    [8]

    Childress L, Hanson R 2013 MRS Bull. 38 134

    [9]

    Li J, Cui J Y, Yang X D, Luo Z H, Pan J, Yu Q, Li Z K, Peng X H, Du J F 2015 Acta Phys. Sin. 64 167601 (in Chinese)[李俊, 崔江煜, 杨晓东, 罗智煌, 潘健, 余琦, 李兆凯, 彭新华, 杜江峰 2015 物理学报 64 167601]

    [10]

    Liu G Q, Pan X Y 2018 Chin. Phys. B 27 020304

    [11]

    Chen M, Meng C, Zhang Q, Duan C K, Shi F, Du J F 2017 Natl. Sci. Rev. DOI:101093/nsr/nwx121

    [12]

    Degen C L, Reinhard F, Cappellaro P 2017 Rev. Mod. Phys. 89 035002

    [13]

    Schirhagl R, Chang K, Loretz M, Degen C L 2014 Annu. Rev. Phys. Chem. 65 83

    [14]

    Beha K, Batalov A, Manson N B, Bratschitsch R, Leitenstorfer A 2012 Phys. Rev. Lett. 109 097404

    [15]

    Gruber A, Drabenstedt A, Tietz C, Fleury L, Wrachtrup J, von Borczyskowski C 1997 Science 276 2012

    [16]

    Liu Y, Kong F, Shi F, Du J 2016 Sci. Bull. 61 1132

    [17]

    Drau A, Lesik M, Rondin L, Spinicelli P, Arcizet O, Roch J F, Jacques V 2011 Phys. Rev. B 84 195204

    [18]

    Liu G Q, Pan X Y, Jiang Z F, Zhao N, Liu R B 2012 Sci. Rep. 2 432

    [19]

    Marseglia L, Hadden J P, Stanley-Clarke A C et al. 2011 Appl. Phys. Lett. 98 133107

    [20]

    Jiang Q, Liu D, Liu G, Chang Y, Li W, Pan X, Gu C 2014 J. Appl. Phys. 116 044308

    [21]

    Jarmola A, Acosta V M, Jensen K, Chemerisov S, Budker D 2012 Phys. Rev. Lett. 108 197601

    [22]

    Zhao N, Ho S W, Liu R B 2012 Phys. Rev. B 85 115303

    [23]

    Maurer P C, Kucsko G, Latta C, Jiang L, Yao N Y, Bennett S D, Pastawski F, Hunger D, Chisholm N, Markham M, Twitchen D J, Cirac I, Lukin M D 2012 Science 336 1283

    [24]

    Liu D Q, Liu G Q, Chang Y C, Pan X Y 2014 Physica B 432 84

    [25]

    Naydenov B, Dolde F, Hall L T, Shin C, Fedder H, Hollenberg L C L, Jelezko F, Wrachtrup J 2011 Phys. Rev. B 83 081201

    [26]

    Childress L, Dutt M V G, Taylor J M, Zibrov A S, Jelezko F, Wrachtrup J, Hemmer P R, Lukin M D 2006 Science 314 281

    [27]

    Hanson R, Dobrovitski V V, Feiguin A E, Gywat O, Awschalom D D 2008 Science 320 352

    [28]

    Jacques V, Neumann P, Beck J, Markham M, Twitchen D, Meijer J, Kaiser F, Balasubramanian G, Jelezko F, Wrachtrup J 2009 Phys. Rev. Lett. 102 057403

    [29]

    Liu G Q, Jiang Q Q, Chang Y C, Liu D Q, Li W X, Gu C Z, Po H C, Zhang W X, Zhao N, Pan X Y 2014 Nanoscale 6 10134

    [30]

    London P, Scheuer J, Cai J M, Schwarz I, Retzker A, Plenio M B, Katagiri M, Teraji T, Koizumi S, Isoya J, Fischer R, McGuinness L P, Naydenov B, Jelezko F 2013 Phys. Rev. Lett. 111 067601

    [31]

    Liu G Q, Xing J, Ma W L, Wang P, Li C H, Po H C, Zhang Y R, Fan H, Liu R B, Pan X Y 2017 Phys. Rev. Lett. 118 150504

    [32]

    Robledo L, Childress L, Bernien H, Hensen B, Alkemade P F A, Hanson R 2011 Nature 477 574

    [33]

    Neumann P, Beck J, Steiner M, Rempp F, Fedder H, Hemmer P R, Wrachtrup J, Jelezko F 2010 Science 329 542

    [34]

    Drau A, Spinicelli P, Maze J R, Roch J F, Jacques V 2013 Phys. Rev. Lett. 110 060502

    [35]

    Liu G Q, Po H C, Du J F, Liu R B, Pan X Y 2013 Nat. Commun. 4 2254

    [36]

    Liu G Q, Zhang Y R, Chang Y C, Yue J D, Fan H, Pan X Y 2015 Nat. Commun. 6 6726

    [37]

    Pan X Y, Liu G Q, Yang L L, Fan H 2011 Appl. Phys. Lett. 99 051113

    [38]

    Chang Y C, Liu G Q, Liu D Q, Fan H, Pan X Y 2013 Sci. Rep. 3 1498

    [39]

    Wang N, Liu G Q, Leong W H, Zeng H L, Feng X, Li S H, Dolde F, Fedder H, Wrachtrup J, Cui X D, Yang S, Li Q, Liu R B 2018 Phys. Rev. X 8 011042

    [40]

    Zhu X, Saito S, Kemp A, Kakuyanagi K, Karimoto S, Nakano H, Munro W J, Tokura Y, Everitt M S, Nemoto K, Kasu M 2011 Nature 478 221

    [41]

    Hensen B, Bernien H, Drau A E, Reiserer A, Kalb N, Blok M S, Ruitenberg J, Vermeulen R F L, Schouten R N, Abelln C, Amaya W, Pruneri V, Mitchell M W, Markham M, Twitchen D J, Elkouss D, Wehner S, Taminiau T H, Hanson R 2015 Nature 526 682

    [42]

    Casola F, van der Sar T, Yacoby A 2018 Nat. Rev. Mater. 3 17088

  • [1] 曾碧榕, 姚淅伟, 刘钦, 牟晓阳, 林星程, 杨春, 潘健, 陈忠. 基于核磁共振的子空间量子过程重构. 物理学报, 2010, 59(10): 6837-6841. doi: 10.7498/aps.59.6837
    [2] 潘健, 余琦, 彭新华. 多量子比特核磁共振体系的实验操控技术. 物理学报, 2017, 66(15): 150302. doi: 10.7498/aps.66.150302
    [3] 孔祥宇, 朱垣晔, 闻经纬, 辛涛, 李可仁, 龙桂鲁. 核磁共振量子信息处理研究的新进展. 物理学报, 2018, 67(22): 220301. doi: 10.7498/aps.67.20180754
    [4] 李俊, 崔江煜, 杨晓东, 罗智煌, 潘健, 余琦, 李兆凯, 彭新华, 杜江峰. 核磁共振中的量子控制. 物理学报, 2015, 64(16): 167601. doi: 10.7498/aps.64.167601
    [5] 范桁. 量子计算与量子模拟. 物理学报, 2018, 67(12): 120301. doi: 10.7498/aps.67.20180710
    [6] 叶 宾, 谷瑞军, 须文波. 周期驱动的Harper模型的量子计算鲁棒性与量子混沌. 物理学报, 2007, 56(7): 3709-3718. doi: 10.7498/aps.56.3709
    [7] 顾斌杰, 叶 宾, 须文波. 量子Harper模型的量子计算鲁棒性与耗散退相干. 物理学报, 2008, 57(2): 689-695. doi: 10.7498/aps.57.689
    [8] 赵士平, 刘玉玺, 郑东宁. 新型超导量子比特及量子物理问题的研究. 物理学报, 2018, 67(22): 228501. doi: 10.7498/aps.67.20180845
    [9] 赵娜, 刘建设, 李铁夫, 陈炜. 超导量子比特的耦合研究进展. 物理学报, 2013, 62(1): 010301. doi: 10.7498/aps.62.010301
    [10] 李盼池, 王海英, 宋考平, 杨二龙. 量子势阱粒子群优化算法的改进研究. 物理学报, 2012, 61(6): 060302. doi: 10.7498/aps.61.060302
    [11] 李盼池, 王海英, 戴庆, 肖红. 量子过程神经网络模型算法及应用. 物理学报, 2012, 61(16): 160303. doi: 10.7498/aps.61.160303
    [12] 田宇玲, 冯田峰, 周晓祺. 基于冗余图态的多人协作量子计算. 物理学报, 2019, 68(11): 110302. doi: 10.7498/aps.68.20190142
    [13] 董杨, 杜博, 张少春, 陈向东, 孙方稳. 基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感. 物理学报, 2018, 67(16): 160301. doi: 10.7498/aps.67.20180788
    [14] 方细明, 朱熙文, 冯 芒, 高克林, 施 磊. 核磁共振量子计算中的赝纯态制备. 物理学报, 1999, 48(8): 1405-1411. doi: 10.7498/aps.48.1405
    [15] 李雪琴, 赵云芳, 唐艳妮, 杨卫军. 基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠. 物理学报, 2018, 67(7): 070302. doi: 10.7498/aps.67.20172634
    [16] 吴季辉, 范扬眉, 薛飞, 杜江峰, 石名俊, 韩荣典, 周先意. 制备三量子位和四量子位核磁共振等效纯态. 物理学报, 2002, 51(4): 763-770. doi: 10.7498/aps.51.763
    [17] 杨棨. 铁磁共振的量子理论——各向同性铁氧体的共振条件. 物理学报, 1963, 95(3): 139-150. doi: 10.7498/aps.19.139
    [18] 任韧, 徐进, 任大男. 半导体核磁共振显微压力的质子全自旋量子门的实现. 物理学报, 2010, 59(11): 8155-8159. doi: 10.7498/aps.59.8155
    [19] 王宁, 金贻荣, 邓辉, 吴玉林, 郑国林, 李绍, 田野, 任育峰, 陈莺飞, 郑东宁. 基于高温超导量子干涉仪的超低场核磁共振成像研究. 物理学报, 2012, 61(21): 213302. doi: 10.7498/aps.61.213302
    [20] 李绍, 任育峰, 田野, 储海峰, 黎松林, 陈莺飞, 李洁, 陈赓华, 郑东宁, 王宁. 利用高温超导直流量子干涉器件进行10-6 T量级磁场下核磁共振的研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5744-5749. doi: 10.7498/aps.58.5744
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-20
  • 修回日期:  2018-04-28
  • 刊出日期:  2018-06-20

金刚石氮空位中心自旋量子调控

    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB921402,2015CB921103)、中国科学院战略先导科技专项(B类)(批准号:XDB07010300)、国家自然科学基金(批准号:11574386)和中国科学院B类先导科技专题培育项目(批注号:XDPB0803)资助的课题.

摘要: 量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.

English Abstract

参考文献 (42)

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