金刚石氮空位中心核自旋量子算法实验研究

Recently nitrogen-vacancy center in diamond becomes one of the most important field in quantum information and computation. At room temperature the electron spin state can be initialized, manipulated and read out by using optical excitation and microwave. Its electron spin has very long coherence time and can be coupled with other qubits. The nuclear spins in diamond can be great candidate for multi qubits computing. Because the decoherence time for both nuclear spin has the same time scale so there is no requirement for extra extension of any qubit's decoherence time. We plan to use two nuclear spins to demonstrate a simple quantum algorithm. We will demonstrate coherent control of nuclear spin nearby nitrogen vacancy center. By using RF pulse and dynamical decoupling technique we can control nuclear spins and demonstrate quantum logic gate operation and finally show the Deutsch-Jozsa quantum algorithm.

金刚石氮空位中心成为量子计算和量子信息的热点方向之一，在室温下用光学和微波脉冲就能初始化、操控以及读出电子自旋态，中心的电子自旋有较长的退相干时间，可以和其它量子比特实现相干耦合，进行多比特量子计算是未来发展趋势。氮空位中心近邻的多个核自旋是实现多量子比特优秀候选者。核自旋具有超长的退相干时间，如果两个比特都是核自旋，那它们的相干性可以保持在同一时间尺度，基于此我们拟在室温下对纯净金刚石单晶样品中氮空位中心近邻的核自旋进行精确的定位和测量，利用动力学解耦脉冲操控和射频脉冲操控结合的方式，设计和实施核自旋的单比特和双比特普适量子逻辑门，最终在核自旋上实现双量子比特的Deutsch-Jozsa算法演示。

项目主要研究金刚石氮空位中心近邻核自旋的探测、相干操控和应用。我们按照申请书所列计划开展研究，主要研究内容和预期目标都已实现，还获得了一些额外的进展。在项目执行过程中，对光探磁共振实验系统进行了升级，制备了多个包含固态浸没透镜和共面波导天线的金刚石样品，获得了多个弱耦合核自旋的耦合参数并设计实现了它们的普适量子逻辑门。在此基础上，进行了开放系统动力学过程和高压下自旋量子精密测量等方面的探索。项目执行过程中发表7篇SCI论文，包括1篇Physical Review Letters和1篇Chinese Physical Letters的Express Letters。项目主要成果为： (1) 基于动力学解耦发展出一种全新的核自旋单发读出方案，在室温下观测到金刚石氮空位中心近邻弱耦合核自旋的量子跳变，为探测和利用数量众多且相干性质优秀的核自旋量子比特提供了有力支撑，文章发表于【Phys. Rev. Lett. 118, 150504 (2017)】。(2)完成了氮空位中心近邻4个弱耦合核自旋参数的测量，用动力学解耦脉冲和最优化控制两种方案实现了核自旋的单比特和双比特量子逻辑门，制备和测量了两个核自旋的纠缠态；用自旋多比特系统研究了多通道可控非马尔科夫过程，并用量子Fisher信息定量研究了非马尔科夫性。(3)发现高纯金刚石中P1中心对氮空位中心自旋相干性质的影响【Chin. Phys. Lett. 33, 107601 (2016)】；完成了熵不确定性原理的实验检验【Scientific Reports 7, 2563(2017)】；率先在金刚石对顶砧40 GPa高压下实现了自旋量子态相干调控并应用于微区磁性精密测量【Chin. Phys. Lett. 36, 086201(2019)】，为极端条件下的凝聚态物理前沿科学问题提供了全新的研究工具。