金刚石氮空位中心量子信息研究获进展

金刚石内氮空位中心结构自1997年被发现可以开展量子信息研究以来，由于其在室温下具有很长的电子自旋退相干时间，纯净的自旋环境和与周围核自旋丰富的超精细相互作用，人们开展了多方面的研究，包括实现了单量子比特和多量子比特调控，量子寄存器，双量子比特逻辑门操作，三量子比特纠缠态的制备和近期开展的动力学解耦来延长退相干时间的研究，展示了该体系在固态量子信息和计算中的广阔前景。在过去几年里，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）固态量子信息与计算实验室的潘新宇副研究员自主设计搭建了两套激光扫描共聚焦荧光显微系统，配合自主研发的微波近场天线，开展了一系列的基于金刚石氮空位中心的量子信息研究。最近，潘新宇副研究员与范桁研究员合作，首次在固态体系里室温下实现了最优化相位量子克隆机。在金刚石氮空位中心由于Zeeman效应形成的两个二能级系统中，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%，和理论计算预言的最大的保真度85.4%很接近。该项研究结果发表在Applied Physics Letters上【99, 051113 (2011)】。另外，潘新宇副研究员和香港中文大学的刘仁保教授合作，研究了室温下金刚石氮空位中心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。该小组在室温下实验上成功地观测到金刚石的氮空位中心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得很好。该项研究结果发表在Scientific Reports上【2, 432 (2012)】。以上工作得到科技部“973”项目和国家自然科学基金，香港研究资助局及香港中文大学的资助。