金刚石复合自旋体系的实验研究

Developing NV center based quantum technique is in demand in quantum information science. Due to its remarkable spin property even under ambient conditions, NV center in diamond is not only the focus of current research, but also a prior development direction of quantum technologies of several countries. Its electron spin, having long coherence time, is capable of high-fidelity initialization and readout through the optical detection. NV center at separated locations is able to interact to each other either through the magnetic interaction or through the photons. Specially, the electron spin and surrounding nuclear spin forms a fully functional hybrid spin register. In this project, we will make a further experimental study of such a system. We will 1) develop a method to obtain its Hamiltonian; 2) find appropriate NV system 3) realize high-fidelity single-shot readout of the electron spin and nuclear spins and 4) precise quantum control to study the key elements for QC.

基于掺杂金刚石中氮-空穴（N-V）色心单自旋量子调控的相关研究紧扣国家量子信息科学的重大需要。作为目前唯一可能实现室温固态量子计算的体系，金刚石自旋系统不仅是当前国际上的研究热点，也是几大传统科技强国量子技术国家规划中重点发展体系之一。此体系电子自旋相干时间长、可通过光学方法进行高保真度初始化与读出，其还可以通过磁耦合、光子飞行比特等多种方式来形成不同NV中心的量子纠缠，进行可扩展。在单个NV色心中，电子自旋还可以与临近的核自旋形成复合自旋体系，进一步提升NV自旋系统的性能。本项目拟在之前取得的初步研究基础上，对复合自旋体系开展更加系统深入的实验研究。首先发展可以重构出复合体系哈密顿量的方法。其次寻找合适的复合自旋体系，发展微纳加工技术，实现对电子自旋，核自旋的高保真度single-shot读出。进而实现整个体系的高保真度相干操控，来深入研究长时间存储、量子纠错等量子计算所必需的核心功能。

本项目围绕量子信息中杂化或者复合量子体系的实现与操控这一前沿重要方向开展实验研究。所选体系为金刚石氮空位色心单自旋系统，主要开展电子自旋与多个核自旋复合量子系统实验构建与量子调控的研究。具体研究内容包括:1)复合自旋体系的哈密顿量探测;2)金刚石微纳加工提升系统探测效率；3)发展复合体系的精确操控技术；4)复合量子体系的应用。通过上述研究内容开展，预期在项目结题时实现对3-6个自旋组成的杂化体系的精确操控，并开展相关量子应用研究。. 项目顺利完成预定的全部科研目标，已发表高水平论文13篇，其中包括Nature Communications 1篇，Science Advances 2篇，Physical Review Letters 2篇。最新接收尚未发表论文Physical Review Letters 1篇。重要成果主要有：1）发展高保真度电子自旋单次读出新方法与绝热控制方法，其中电子自旋single-shot读出保真度超过99% (Nat.Commun. 2021)；绝热控制速度打破传统绝热定理限制(Sci.Adv.2019)；2) 发展共振主成分分析量子算法，极大优化辅助比特资源消耗，只需一个辅助比特就可以实现主成分的快速分析，并在3自旋复合系统上进行了实验展示 (Sci.Adv.2021)；3）系统的开展动力学拓扑物相的量子模拟实验研究，分别对2维，3维手性拓扑绝缘体进行模拟，观察到体边对应关系与衍生拓扑物相等 (PRL 2020, PRX quantum 2021, PRA 2019)；开展量子热机量子特性的实验研究(PRL 2022，编辑推荐); 4) 开发出纳米尺度的单自旋电探测传感器 (PRL 2020，编辑推荐)与纳米尺度三维磁传感器(Nano Letters 2020)。. 在关键指标上，发展了金刚石的微纳加工技术，制备出高收集效率的氮空位色心，荧光计数达到1E6光子计数每秒，并在此基础上实现了1个电子自旋与7个核自旋的复合量子体系，完成哈密顿量标定，并能够对所有自旋高保真度初始化、操控与进行单次读出，保真度均高于97%。在相干时间上，通过动力学解耦技术电子自旋与核自旋相干时间均达到秒量级。以上研究成果与发展的技术方法为进一步推动金刚石量子精密测量技术以及开展量子容错计算研究打下了坚实的基础。