金剛石NV色心的實時電荷初始化以增強自旋讀出

基于摻雜金剛石中的氮-空位體系（NV色心）的譜學(xué)技術(shù)，具有超高的探測本領(lǐng)，在物理、化學(xué)、生物等不同的學(xué)科領(lǐng)域均具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。我們本著分享和服務(wù)的宗旨，根據(jù)頂級期刊、新聞對部分相關(guān)文章進行中文導(dǎo)讀。歡迎大家在本文下方留言區(qū)進行留言討論，如內(nèi)容有錯誤疏漏之處，也歡迎各位專家學(xué)者補充及批評指正，共同提高本系列文章內(nèi)容服務(wù)質(zhì)量，謝謝。

金剛石NV色心的實時電荷初始化以增強自旋讀出

不的狀態(tài)初始化是影響量子比特系統(tǒng)性能一種常見的障礙。金剛石氮空位（NV）色心的初始化保真度就會受限于光泵浦期間缺陷電荷態(tài)跳變。在這項研究中，研究者們則使用實時控制來確定性地初始化室溫下NV色心的電荷態(tài)。他們實驗證明了最大電荷初始化保真度為（99.4±0.1）%，并提出了初始化過程的定量模型，且發(fā)現(xiàn)該模型可以對自旋讀出信噪比進行系統(tǒng)級優(yōu)化。即使與初始化序列相關(guān)的耗時被考慮在內(nèi)，在保持相同信噪比的情況下，使電荷初始化保真度從穩(wěn)態(tài)75%增加到接近100%讓實驗進程加速2倍。結(jié)合基于自旋-電荷轉(zhuǎn)換的高保真讀出，實時初始化與傳統(tǒng)方法相比在速度上有了20倍的提高，基于此可推測單NV色心ac磁靈敏度約為1.3 nT/Hz1/2。另外，實時控制方法對于NV色心的量子傳感應(yīng)用以及用于探測電荷相關(guān)物理學(xué)也是有即時效益的，并且它還將支撐用于多量子比特系統(tǒng)的量子反饋控制協(xié)議。

Real-Time Charge Initialization of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers for Enhanced Spin Readout

David A. Hopper, et al.

縱向自旋弛豫模型在點缺陷量子比特系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來，半導(dǎo)體中可控、部分孤立的少能級系統(tǒng)由于其在納米尺度精密測量和量子技術(shù)中廣泛應(yīng)用得到了多學(xué)科的關(guān)注。對這類系統(tǒng)的動力學(xué)和相關(guān)應(yīng)用進行定量模擬是一項具有挑戰(zhàn)性的理論任務(wù)，因為不僅要對少能級系統(tǒng)，且對其局部環(huán)境都是需要進行精確描述的。這項工作中，研究者提出了一種方法，用以描述由稀疏自旋庫導(dǎo)致的弛豫過程，自旋庫由核自旋與電子自旋組成。該方法是在中心自旋體系的簇近似框架下應(yīng)用了一種擴展的Lindblad方程。分析結(jié)果表明，該方法可以準(zhǔn)確描述典型的固態(tài)點缺陷量子比特系統(tǒng)（特別是金剛石中的NV色心）在不同磁場和應(yīng)力下的T1時間。

Longitudinal spin relaxation model applied to point-defect qubit systems

Viktor Ivády

光泵浦自旋極化作為多體熱化探針

已知無序和多體相互作用以相互競爭的方式影響運輸和熱化，任何一種占主導(dǎo)的情況都會導(dǎo)致根本不同的動力學(xué)演化。本篇文獻主要研究了金剛石中13C的自旋擴散動力學(xué)，其中動力學(xué)核極化是通過室溫下對NV色心自旋光泵浦來實現(xiàn)的。研究者們專注于低豐度，強超精細(xì)耦合的核自旋。通過變頻的射頻激發(fā)，可以測到塊材中13C的磁共振信號，從而揭示其在極化輸運中起到的作用。出乎意料的是，他們在整個核自旋庫中發(fā)現(xiàn)的良好熱接觸實際上與超精細(xì)耦合強度無關(guān)，經(jīng)分析可將其歸因于電子自旋系綜傳導(dǎo)的等效碳-碳相互作用。尤其是在整個超精細(xì)耦合范圍內(nèi)的觀測表明，核自旋擴散常數(shù)值會比同核自旋耦合所預(yù)期的值高出兩個數(shù)量級。

Optically pumped spin polarization as a probe of many-body thermalization

Daniela Pagliero,et al.

量子鉆石單自旋譜儀技術(shù)及應(yīng)用綜述

單量子態(tài)的探測與調(diào)控及分子尺度的成像技術(shù)是精密譜學(xué)儀器發(fā)展的重要方向。隨著對磁探測技術(shù)的深入探索，國儀量子自主生產(chǎn)研發(fā)的量子鉆石單自旋譜儀，基于摻雜金剛石中的氮-空位體系的譜學(xué)技術(shù)，具有超高的磁探測本領(lǐng)，在物理、化學(xué)、生物、材料、醫(yī)學(xué)等不同的學(xué)科具有廣泛而重要的應(yīng)用前景。

目前，國儀量子已掌握基于NV體系的核心技術(shù)，并具備成熟的制造工藝，成功研制了量子鉆石單自旋譜儀。該譜儀通過控制光、電、磁等基本物理量，利用ODMR技術(shù)實現(xiàn)對鉆石中氮—空位(NV色心)發(fā)光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，譜儀具有以下特點:

初態(tài)是量子純態(tài)，易于初始化、操控和讀出;NV色心的基態(tài)電子自旋態(tài)可以通過光躍遷進行量子態(tài)的初始化和讀出，利用微波進行量子態(tài)的操控。

自旋量子相干時間長,長相干時間能夠保證較長的相干操控及光信號積累。

超高靈敏度與超高分辨率;由于NV色心的光學(xué)性質(zhì)及其電子波函數(shù)特性，制備的單量子干涉儀測量磁場靈敏度可達10-9 T量級，NV色心系綜甚至達到了10-13 T量級，其磁場測量空間分辨率可達到亞納米。

可以在室溫大氣條件下運行，對于生物樣品有良好的兼容性。

具備高保真度量子自旋態(tài)調(diào)控技術(shù)，通過自主研發(fā)的50 ps時間精度脈沖發(fā)生器以及寬帶高功率微波調(diào)制器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對自旋低噪聲、高效、快速的量子相干操控。下文圖4為裝置拓?fù)鋱D，譜儀配套了高智能化控制與信號采集軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)自動光路調(diào)節(jié)、自動磁場調(diào)節(jié)以及長時間的無人值守自動測樣實驗。