室温单电子自旋量子态操纵和检测的实验研究

基于掺杂金刚石中氮-空穴（N-V）对的单自旋检测和调控的相关研究紧扣国家量子信息科学和社会发展的重大需要，同时是当前国际量子信息领域的热点和难点。此实验体系室温下退相干时间长（1.8毫秒）、可在室温下实现单电子自旋量子态调控和检测。当前国际上对此方向的研究才刚刚起步，本项目拟抓住这个极佳的机会，对基于N-V体系的单电子自旋量子态开展系统深入的理论和实验研究。首先、搭建高分辨率的共聚焦显微系统，在现有样品上，寻找合适的N-V色心作为单电子自旋的载体，实现单电子自旋检测。并通过激光泵浦和外加可调微波场的手段，实现单电子自旋量子态的制备和操纵。其次、开发N-V色心近邻次近邻位置上的13C资源，利用N-V色心的单电子自旋和13C的核自旋耦合体系，同时加微波和射频场，制备此耦合体系的量子态。以单电子自旋为媒介，间接实现单核自旋的读出，从而实现耦合量子态的探测。实现相干操纵，深入研究此体系的可扩展性。

本项目开展基于金刚石氮-空穴缺陷中心（NV色心）单电子自旋量子态的操纵和检测的研究。经过四年的努力，项目已顺利圆满完成，在单自旋实验平台建设、样品制备、单自旋操纵和探测技术等方面均取得了重要的进展，在基于NV色心的量子计算、量子计量等前沿研究上取得了世界先进水平的研究成果。目前项目已发表研究论文18篇，其中包括Science 2篇、Nature 1篇、Nat. Phys. 1篇、Nat. Commun. 4篇和PRL 5篇。代表性科研成果包括：.（1）在单自旋量子态的退相干行为及机制研究方面，我们首次在实验上观测到室温下单电子反常退相干效应（Nat. Commun. 2, 570 (2011)），实验实现了调制热库行为在经典和量子两种机制间转换（Phys. Rev. Lett. 108, 200402 (2012)）；.（2）在单自旋量子态的高精度量子操控研究方面，我们实验实现了基于动力学解耦的高保真度量子逻辑门（Phys. Rev. Lett. 109, 070502 (2012)；Nat. Commun. 4, 2254 (2013)），实现了突破T2极限的抗噪声量子逻辑门（Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)），Landau-Zener隧穿实现时域拉比振荡（Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)），实现固态体系中的首个量子纠错实验（Nature 506, 204 (2014)）；.（3）在基于金刚石NV色心的量子计量研究方面，我们实现了(5 nm)3尺度有机样品的微观核磁共振（Science 339, 561 (2013)）和单核自旋灵敏度的探测（Nat. Commun. 5, 4703 (2014)）；实现了单核自旋对的探测及其原子尺度的结构分析（Nat. Phys. 10, 21 (2014)）；国际上首次获取单个生物分子的顺磁共振谱并解析出其动力学性质（Science, accepted (2015)）；实现高分辨率矢量微波场探测（Nat. Commun., accepted (2015)）。