基于金刚石“氮-空位”中心的腔量子电动力学研究

The research on measurement and manipulation of individual quantum systems becomes one of the most important topics of quantum science and technology, and leads to the Nobel Prize in physics in 2012. Meanwhile, atom-like systems based on artificial microstructures, especially in solid state systems, have attracted more and more attention because of their broad potential application in various areas such as quantum information processing. Combining these two fast-growing fields, we will investigate the coherent quantum dynamics of a novel atom-like individual quantum system, namely, the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. We will focus on the quantum coherent coupling between NV center systems and the quantized optical modes and the vibrations of nanomechanical systems. The coupled systems provide a perfect stage for investigating both fundamental physics and potential applications. In this project, we will start from a systematic study of the NV center electronics structures, optical excitation properties, and its coupling to the photons confined in optical micro-cavities and to the quantized nanomechanical vibration modes. Derivation and understanding the microscopic coupling mechanisms are the key point of this project. Based on the microscopic mechanisms, we will explain the existing experimental observations and predict more nontrivial quantum dynamics in the coupled quantum systems. As an important feature of this project, we will collaborate with world's pioneering experimental groups, and our theoretical investigations will provides strong supports for the design and optimization of future opto-electric quantum devices and scalable quantum information processing devices based on NV centers in diamond.

以2012年物理学诺贝尔奖为代表的对"单个量子体系的探测和控制"的研究成为近年来物理学研究的前沿热点。同时固态、人工微结构形成的类原子体系由于其广泛的应用前景受到人们广泛关注。本项目将选取以金刚石中"氮-空位"缺陷中心为主要研究对象，结合上述两个研究方向，研究其与量子化光场、纳米机械振动等自由度的耦合，探索其中的基本物理问题和应用前景。我们将在前期对于"氮-空位"自旋自由度的研究基础上，深入地研究 "氮-空位"缺陷中心与光学微腔中的量子化光场或纳米机械振子的微观耦合机制，发展可以解释现有实验观测并预言未来动力学新现象的系统理论描述，并探索耦合系统的非平凡的量子动力学行为。本项目的研究将密切结合本领域的实验进展，并与国内外著名实验组合作，从理论方面为设计、优化基于NV中心的未来光电量子器件和可集成化量子信息处理提供参考和指导。

本项目重点研究以金刚石“氮-空位”中心为代表的固态缺陷体系与量子化光场、量子化机械振动等自由度形成的复合量子系统的非平凡腔量子电动力学效应。通过本项目过去几年的研究，我们在这一方向上进行了比较深入的探索，并取得了一定成果。主要有如下亮点。我们结合最新实验发展，将固态自旋体系从过去若干年人们研究较为充分的金刚石材料拓展至研究相对较少的碳化硅材料。利用碳化硅材料良好的光学性质，以碳化硅为基底材料的固态缺陷系统可以更好地和量子化光场进行耦合。我们的工作证明了碳化硅材料中的固态缺陷系统有非常出色的自旋量子相干性，从而推动了实验在此方向上的实质性进展；此外，近年来若干重要实验表明，利用真空中束缚的微纳金刚石颗粒可以形成一类新型的金刚石自旋-机械振荡耦合系统，因而引起人们的广泛关注。我们发展了一套理论方法，可以从理论上预言、计算真空中束缚的金刚石微粒的机械运动和热学行为。我们提出了一个解决实验中金刚石颗粒吸热这一关键行问题的理论方案，并研究了这一系统的若干量子行为及其在量子精密测量方向的应用。在本项目的支持下，我们还在其他一些固态缺陷系统腔量子动力学系统中取得一些成果。