室温下金刚石晶体内N-V center单电子自旋量子比特研究

在量子信息处理和计算领域，固态量子系统是解决量子比特系统的可拓展性问题的最佳途径，近年来研究表明金刚石晶体内的N-V center具有多项优越的制备固态量子比特的特性，如室温下长达毫秒的退相干时间，无外场下基态由自旋劈裂的三重态组成，施加微波场可以调控不同自旋能级的电子布居数，N-V center电子和周边的杂质如核自旋之间有丰富的相互作用，具备实现量子逻辑门操作条件。目前该方向研究核心问题是如何实现N-V center的单电子自旋的量子调控，即实现一个电子自旋态的初始化、继而进行调控和最终读出，我们拟建立激光扫描共聚焦荧光显微系统，用激光激发单个N-V center的电子，测量其荧光发射来得到电子自旋态信息，用可调频的微波场调控电子自旋，全面实现单电子自旋的量子调控，从而达到制备一个室温条件下可以初始化、调控和读出的量子比特的目的，为实现高保真度的量子计算和信息处理建立基础。

在本项目经费的支持下，申请书中所列的工作计划以及预期目标都已完成，而且在此基础上，我们进一步扩展并且深化了研究内容，对金刚石N-V center的重要特性进行了系统研究。我们建立了一套以激光共聚焦扫描显微系统和自主研发的微波天线相结合的实验装置，在室温条件下对金刚石单晶内的N-V center结构进行了系统全面的研究，可以完整的用激光照射实现N-V center单电子自旋的初始化，共振微波场的激发操控单电子自旋量子态，以及光致带自旋选择性的荧光读出单电子自旋的末态，实现了室温下的Rabi振荡的测量，以及基于此技术首次在固态体系里室温下实现了最优化相位量子克隆机。在金刚石N-V center由于Zeeman效应形成的两个二能级系统中，我们实现了三个量子态的编码，初态的准备和量子克隆机的实现通过激光的泵浦和微波的两个独立辐射场相结合的方法实现。实验结果的克隆机平均保真度达到85.2%，是目前为止实验上达到的最好水平，和理论计算预言的最大的保真度85.4%很接近。同时我们还研究了室温下金刚石N-V center的电子自旋的噪声涨落效应。局域场的波动会导致量子体系的退相干，通常人们认为在室温情况下，热噪声会比量子噪声强很多倍，除非有人为的方法来抑制热噪声比如自旋回波。我们在室温下实验上成功地观测到金刚石的N-V center的电子自旋对周围核自旋的环境所感受到的强的量子噪声涨落效应。经研究发现，量子涨落和热噪声之间的竞争关系可以用外加的磁场来调节，随着外磁场的增大，观测到了从热噪声到量子噪声及再回归到热噪声的渐变的过程。该实验是基于Ramsey干涉测量技术来实现的，实验结果和数值模拟符合的很好。我们还对金刚石单晶通过离子注入和高温退火等技术手段，形成N-V center，在技术加工方面探索改进制备量子比特方法。