金刚石中固态自旋比特读取保真度的提高

Nitrogen vacancy (NV) center is a defect in diamond, it has been widely used for quantum computation and metrology. The spin state optical polarization and detection are the base of application with NV center. However, the spin initialization and detection process of NV center has not been systematically studied, and the mechanism is not very clear. In recent years, it has found that, the optical pumping would resulted in the charge state conversion of NV center, which would decrease the fidelity of spin initialization and readout. In this project, we plan to systematically study the optical readout process of NV center spin state, and improve the readout fidelity. By measuring the charge state conversion process, we will discuss the spin depolarization and fluorescence anomalous saturation effect of NV center. Subsequently, we would decrease the effect of charge state conversion on the spin state initialization and readout of NV center. On the other hand, we plan to study the spin-selective intersystem crossing of NV center, and improve the spin state readout fidelity by control the intersystem crossing transition rate. Subsequently, we will present the high fidelity quantum manipulation and high sensitivity quantum metrology with NV center.

氮-空位（NV）色心是金刚石材料中的一种发光缺陷，在量子计算和量子测量中得到广泛应用。NV色心的电子自旋的光学初始化和探测是其得到应用的重要基础，然而研究人员对其初始化和读取过程缺少系统性的研究，对其中的物理过程还没有完全认识。近年来的实验发现，NV色心在激光泵浦下会出现电荷态转换，这个过程会降低NV色心自旋初始化保真度，并影响NV色心自旋读取过程。在本项目中，我们计划系统性研究NV色心自旋光学读取过程，提高其自旋读取保真度。一方面通过对电荷态转换的研究，探索电荷态转换可能导致的自旋退极化和荧光反常饱和现象，在此基础上调控电荷态转换，减小电荷态转换对NV色心自旋初始化和读取过程的影响。另外，我们将研究NV色心中具有自旋选择性的系际跃迁，控制系际跃迁速率，提高NV色心自旋读取保真度。在此基础上，我们将演示NV色心高保真度的量子操控和高灵敏度的量子测量。

因其稳定的光学性质、长自旋相干时间、易制备和小尺寸等优点，金刚石中的氮-空位（NV）色心在量子传感、量子计算、生物标记等方面的研究中有广泛应用。而其自旋读取的保真度影响着NV色心在各领域的应用。在室温下，非共振激发的光学方法是读取NV色心自旋的最常用的一种方法。通过自旋选择的系际跃迁，带负电的NV色心电子自旋能够被初极化，从而导致荧光强度的变化，这是NV色心自旋读取的机制。另外近几年的研究表明，NV色心的自旋初始化和读取过程伴随着电荷态转换，这可能影响自旋读取的保真度。. 本项目从室温下NV色心的非共振激发，研究其自旋读取中的物理机制，从而找到提高光学读取自旋保真度的方法或实验条件。本项目主要从两个方面对NV色心的自旋读取进行了研究：. 一，电荷态转换对NV色心自旋读取过程的影响。. 利用405纳米光泵浦单光子的电荷态转换过程，我们观察到NV色心自旋的拉比振荡振幅的降低，证实电荷态转换过程会导致自旋的退极化。进一步我们研究了532纳米激光泵浦下的双光子电荷态转换。发现电荷态转换与系际跃迁的竞争关系，自旋退极化和自旋极化同时存在于非共振激发的情况中。实验结果表面高功率的激光泵浦会让自旋极化概率下降14%，会让荧光强度有42%的下降。基于此结果，我们使用低功率的激光极化和探测NV色心自旋，提高自旋读取的保真度。我们还对红外光泵浦的电荷态转换进行了研究。发现780纳米激光可以将电荷态初始化的保真度从0.75提高至0.84，从而提高自旋操控和读取的保真度。. 二，我们研究了门控方法对自旋读取对比度的提升。. 通过在时间域上的滤波，我们将自旋读取的对比度提升约两倍，从而提高量子成像的质量。. 通过本项目的研究，我们对NV色心自旋探测的机制有了更深刻的认识。项目取得的成果可用于提高NV色心自旋读取的信噪比，从而使NV色心更广泛的得到应用。