基于金刚石中的氮-空位中心的量子技术研究

Quantum technology is a fast developing field that has attracted lots of research interest in the last few years because of the appealing aspects in practical applications. Nitrogen-Vacancy (NV) center in diamond has become one of the most promising candidate systems for the implementation of quantum technology at room temperature. In the present project, we propose to investigate how to perform quantum simulation and quantum precision measurement using NV center in diamond. We shall investigate, how to simulate novel quantum matter states such as spin liquid, spin ice; and how to achieve high-fidelity scalable quantum simulation under realistic environment noise. We will optimize the design of hybrid quantum sensors using NV center in diamond and exploit the potential applications; and we will further develop dynamical decoupling schemes to improve the resolution of single-molecule nuclear magnetic resonance spectroscopy with NV center in diamond. In collaboration with experiment groups, our results in this project shall help to improve coherent control of solid-state spin systems, and to implement solid-state quantum simulation and quantum precision measurement.

量子技术，因为其广泛的实际应用前景，而在近年来引起人们浓厚的研究兴趣，并得到了迅速的发展。金刚石中的氮-空位中心自旋体系是目前被看好的实现室温下的量子技术的候选体系之一。本项目旨在研究以金刚石中的氮-空位中心自旋体系为基础，从理论上严格探讨，运用该物理体系来实现量子模拟以及量子精密测量技术。主要研究工作包括，探讨利用基于金刚石中的氮-空位中心自旋体系来模拟以及验证自旋液体、自旋冰等新奇的量子物质态；研究在噪声环境中，提高可扩展量子模拟的保真度的理论方案；探讨基于金刚石中的氮-空位中心自旋体系的量子复合传感的优化设计及应用；发展动力学退耦合方案，来提高单分子核磁共振频谱探测的分辨率。本项目着眼于理论结合实验进行，将不仅有助于推动固态量子自旋的量子调控技术的发展，而且也可以为实现固态量子模拟、量子精密测量提供理论基础。

本项目以金刚石中的氮-空位中心自旋体系为基础，研究基于该物理体系实现量子模拟以及量子精密测量技术的相关科学问题。在本项目的支持下，我们围绕基于金刚石中的氮-空位中心的量子技术这一主要研究内容，开展了量子模拟、量子传感以及相关的量子态操控与测量方面的研究，重点解决实现基于金刚石中的氮-空位中心的量子技术的关键问题与技术挑战，包括如何克服退相干效应的影响、如何在存在实验限制的条件下对量子体系的量子态进行有效操控与测量。本项目基本上达到了预期的研究目标，所开展的研究工作以及取得的研究成果，有助于推动固态量子自旋的量子调控技术的发展，并为实现固态量子模拟、量子精密测量等量子技术提供支撑。