基于系综金刚石氮空位色心量子调控系统设计

为了实现量子的自旋调控和精密测量,将金刚石作为自旋载体材料,设计了基于系综金刚石氮空位（Nitrogen-vacancy, NV）色心量子调控系统。通过利用金刚石独特的自旋三重态容易被初始化,操控和读出,基于LabVIEW软件,设计编写了脉冲序列发生模块并搭建了共聚焦系统,调控了系综NV色心的自旋量子态。结果表明：该系统可以调控系综NV色心的自旋量子态;实现了NV色心拉比振荡实验的测量;拉比振荡周期为100ns。可见该系统结构设计简单,为下一步延长退相干时间,提高系统灵敏度打下基础。     

基于金刚石体系的固态量子计算

量子计算科学是近年来物理学领域最活跃的研究前沿之一,其开拓了与经典方式具有本质区别的全新的信息处理模式.量子计算研究的根本目标是建造基于量子力学基本原理的量子信息处理技术,能在许多复杂计算问题上大大超越经典计算性能的新型计算模式.量子计算需要一个良好的量子体系作为载体.基于自旋的量子体系由于其实用的可操作性,成为量子计算载体的优秀候选.自旋的所有量子性质表现在自旋的叠加态、自旋之间的纠缠和对自旋的量子测量上.基于系综的量子计算演示实验已经被多次实现,但是系综体系在可扩展性上有其原理上的缺陷.要实现可扩展的大规模室温固态量子信息处理和量子计算的突破,实现单量子态的寻址和读出是一个最重要的前提.在已经提出的单自旋固态量子计算载体中,比较突出的一类是基于金刚石中的氮-空位色心单电子自旋体系.金刚石中的氮-空位色心单电子自旋量子态可以在室温下初始化、操控与读出,成为室温量子计算机载体的优良候选者.我们首先回顾金刚石氮-空位色心单电子自旋体系作为量子计算机载体的重要进展;然后讨论了该体系在纳米尺度灵敏探测和成像方面的重要应用;最后,描述了此领域的前景.     

基于金刚石NV色心的电流传感器仿真

NV色心是金刚石中的一种点缺陷，可以用于高精度磁场测量。文章探讨将NV系综作为磁传感器来测量电流的可行性，并对电流强度、NV色心荧光强度与偏共振的关系进行建模仿真，分析传感器放置距离、激光、微波功率、金刚石NV色心浓度等对传感器性能的影响，从而为金刚石NV色心电流传感器的设计与研制奠定了理论基础。     

混合固态量子信息处理器

基于混合固态系统提出一种量子态操控理论模型.该模型通过一个电流偏置约瑟夫森结作为可调耦合器连接两个传输线谐振腔.我们将一个自旋系综作为信息存储器放置在右侧的传输线内,将超导量子比特作为信息处理器与左侧的传输线耦合.该模型可以实现处理器与存储器之间的量子信息一步转换.该模型有望成为量子信息处理的基础器件.     

金刚石NV色心间基于电偶极耦合的快速受控非门（英文）

提出了一种在金刚石中两个临近氮-空位色心(nitrogen-vacancy color center,简称NV色心)之间施加受控非门(C-NOT gate)的新方案.在该方案中,临近NV色心间的强电偶极耦合将导致态依赖的能级移动,从而施加可控的激光共振激发可以实现快速受控相位门(C-phase gate),结合单比特操作,可以快速实现C-NOT门.在两个相邻10 nm的NV色心之间,C-NOT门操作时间最快可达120 ns,比传统磁偶极方式快了2个量级.为了降低激发态自发辐射的影响,提出利用非共振腔抑制自发辐射.模拟结果显示C-phase门操控保真度可以达到98.88%.最后,将该方案扩展到一维NV色心自旋链.     

基于量子调控高灵敏度双量子金刚石磁力计（英文）

高保真度量子比特控制对基于金刚石氮-空位磁力计实现起着十分重要的作用。但是，氮-空位色心的非平庸自旋-自旋相互作用常常导致能级劈裂，进而降低探测信号的对比度，最终导致磁力传感新能变坏。本文提出微波幅度调制的技术克服这一限制，允许实现探测信号对比度100%恢复。与传统磁力探测结果相比，双量子冉塞协议直流磁场探测信号对比度在实验上提高3倍。该方法可以直接推广到基于氮-空位色心温度、应力、电场传感，以及其他自旋-自旋耦合导致能级劈裂的体系。     

单自旋量子精密测量——基于钻石量子传感器的微观磁共振

量子精密测量作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,正成为各学科发展的重要推动力.此处所谓的单自旋量子精密测量一层含义是指以金刚石中的一类点缺陷——氮-空位色心单自旋为量子信息载体,通过光探测磁共振方式对其进行检测;另一层面是指通过微波射频的操控将氮-空位色心单自旋制备成量子传感器,实现高灵敏度高空间分辨率的微观磁共振,甚至可以达到对单电子/单核自旋检测的水平.这一技术用量子传感代替电学探测模式,将传统磁共振的检测能力在空间上从毫米推进到纳米尺度,分子数从数十亿推进到单个分子水平.基于氮-空位色心的量子精密测量技术仍处于快速发展阶段,其正在被应用于二维材料磁性研究、超导、单分子结构、单细胞磁检测等方向,有望为物理、化学、生命科学甚至医学等领域的发展提供重要支撑.本文首先介绍单自旋量子精密测量的基本概念和原理,接着着重介绍本课题组近年基于氮-空位色心的量子精密测量相关实验研究,包括单分子顺磁共振、纳米核磁共振、基础物理等方面的相关进展及未来研究展望.     

基于固态自旋体系的高保真度量子逻辑门的实验研究

量子计算利用量子力学的原理,能够有效处理很多经典计算难以解决的问题,比如大数因子分解.在实现量子信息处理和控制的过程中量子系统总是会受到退相干的影响,这种退相干是由量子系统与外界环境的相互作用造成的.因此实现可以抑制退相干的高保真度量子逻辑门在量子计算研究中具有重要意义.本文首先介绍了实现量子计算对物理系统的要求,然后基于金刚石NV色心体系,讨论实现了动力学纠错门、高保真度的普适量子逻辑门以及时间最优的普适量子逻辑门的几个实验工作,最后给出总结.     

利用偶极封锁实现量子态转移和量子交换门

基于囚禁在原子芯片上的原子系综,利用偶极封锁实现了量子态转移,并通过引入辅助量子比特实现量子交换门,同时还讨论了上述方案在实验上的可实现性.     

量子系综对的量子关联性

研究一对量子系综{ε,η}的量子关联性。在量子信息论中,通过量子测量只能知道量子系统的状态ρ以一定的概率pi处于某个状态ρi,从而得到一系列的量子态ρ1,ρ2,…,ρn以及它们出现的相应概率p1,p2,…,pn;进而得到一个"量子系综"ε={pi,ρi}ni=1。构造一个四体量子态ρε,η,利用量子相对熵,定义了反映"量子系综对"所含量子关联的度量函数,揭示了这个度量函数的一些性质。     

基于微腔中自生长量子点的量子光信息存储

提出一个基于微型圆盘光学谐振腔（microdisk structure cavity）中自生长量子点的量子光信号存储方案,该方案利用量子光场和量子点系综自旋态之间的Raman过程来实现长时间的量子光信号存储.该方案的主要优势在于：使用全光学Raman过程来耦合光信号和腔中量子点的导带能级,使系统有可能存在较长的相干时间.此外,这种微腔中自生长量子点的工艺比较成熟,使该方案便于实验上实现、控制和大规模集成.     

国外期刊亮点

<正>光学超分辨成像精度破极限达4.1 nm中国科学院量子信息重点实验室孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率的测量和操控,其成像精度达到4.1 nm。研究成果1月2日发表在Light:Science Applications上。金刚石中的氮—空位色心是一种发光缺陷,近几年在量子信息领域得到广泛关注,被认为有望实现室     

2015-02 国内期刊亮点

光学超分辨成像精度破极限达4.1 nm中国科学院量子信息重点实验室孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率的测量和操控,其成像精度达到4.1 nm。研究成果1月2日发表在Light:Science & Applications上。金刚石中的氮—空位色心是一种发光缺陷,近几年在量子信息领域得到广泛关注,被认为有望实现室     

精准量子调控分子取向

分子转动量子态占据能谱的低能部分且其跃迁遵循选择定则,利用外场对其进行精准调控是研究精密测量、量子模拟、量子计算等前沿问题的关键。关于精准量子调控分子取向的最新前沿研究主要集中在分子光谱、立体化学反应、量子编码等方面。作为范例,本文基于二能级和三能级模型,研究了如何精密设计太赫兹场的振幅和相位,以实现对分子低位转动量子态波函数的精准调控,从而产生局域最优的场后分子取向。     

基于抽样学习的开放量子系综时间最优控制

针对哈密顿量具有波动的、大量成员系统构成的开放量子系综,在密度矩阵的相干矢量体系下提出了一个双阶段近似时间最优控制算法,实现了系综中所有成员系统对于一个共同目标态的高保真度状态转移,同时确保了控制时间的近似最小.该算法首先根据表征系综哈密顿量波动情况的参数分布律对系综进行采样以便得到代表系综特性的一个样本系统集;然后基于该样本系统集、并借助基本的梯度法在两个阶段中分别对保真度和控制时间进行优化,得到了最终的最优控制律;最后在两能级开放量子系综上进行了数值仿真实验,验证了所提出算法的有效性.     

中科大实现光子比特与原子比特间的量子态隐形传输

中国科技大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟研究小组在国际上首次实验实现了光子比特与原子比特之间的量子态隐形传输。光子是量子通信中最好的信息载体,但却难以存储;而原子态可用来存储量子态。在不破坏其量子特性的情况下,将飞行（光）量子比特所载信息传送到静止（原子）量子比特上．并在需要时成功读取原子量子比特内存储的信息,将是未来量子信息处理中的重要组成部分。研究人员利用极化光子态作为量子信息的载体,利用由大约100万铷原子构成的冷原子系综作为量子存储器．制备了光子与原子系综态之间的纠缠。通过这个光子-原子纠缠源,进行了光量子比特到远程原子比特的量子态隐形传输。传输到原子比特的量子信息在存储了8S后,被成功地转换为光量子态以作进一步的量子信息处理。     

激光与微波功率对金刚石NV色心磁强计ESR谱线的影响研究

金刚石氮空穴色心磁强计广泛采用连续波光探测磁共振脉冲进行磁测,其灵敏度指标主要受到激光功率和微波功率影响.基于金刚石氮空穴色心系综搭建了一套共聚焦磁场检测系统,调节激光功率和微波功率测量相应的电子自旋共振谱的谱线半高宽和谱线对比度.实验表明,谱线半高宽主要受到微波功率影响,谱线对比度同时受到微波功率和激光功率影响;保持微波功率不变提高激光功率,观测到了明显的谱线半高宽变窄.系统的最优参数可分两步获得,首先调整微波功率获得较好谱线半高宽,再提高激光功率获得更好的对比度和谱线半高宽.      

基于原子系综系统实现控制Hadamard门和制备多量子比特的W-type态

利用Rydberg阻滞机制,提出了实现基于原子系综系统的控制Hadamard门和制备n个量子比特W-type态的方案.该方案可以得到高保真度的n个量子比特W-type态,在量子信息处理方面具有可扩展性.     

基于4粒子团簇态实现量子态的双向通信

提出了一个用4粒子团簇态作为量子信道传输量子态信息以实现双向通信的方案.在该方案中,通信双方Alice和Bob事先共享一个4粒子团簇态.在通信过程中:首先,将4粒子团簇态与双方要传递的量子态信息共同构成系综态;然后,Alice和Bob分别对自己拥有的部分粒子作Bell基的联合测量,并把测量结果通过经典信道告诉对方;最后,Alice和Bob根据对方公布的测量结果,作相应的幺正变换,就可以在自己的粒子上重现对方要传送的量子态信息.这样就达到了实现量子态的双向通信的目的.     

复合脉冲控制阶梯型多态量子系统的转移通道

提出了利用复合脉冲在阶梯型多态量子系统中操控量子态演化和粒子数相干转移的方法.首先通过Morris-Shore变换,借助二能级传播算子描述多态量子系统的演化.然后利用增加脉冲序列数且单个脉冲的相位可控的技术,抑制额外的转移通道,实现高效率高鲁棒性的量子态操控和粒子数转移.最后通过数值模拟研究了额外通道和转移通道的拉比频率比、脉冲面积的变化、单光子失谐偏离零点等因素对转移效率的影响.结果表明:常被用于二能级量子系统的复合脉冲操控方法也可被应用于多态量子系统.通过增加脉冲序列数,可有效减小相关参数的扰动,保持高效率的粒子数转移.多脉冲序列复合脉冲的技术可以解决偏振不纯、激光频率不纯、控制参数扰动等造成的量子态操控效率降低等问题.研究结果对构造量子门、量子模拟等相关研究具有重要意义.