金刚石氮空位中心的量子计算和量子信息


   氮空位中心(Nitrogen Vacancy Center)是金刚石晶体中常见的点缺陷结构,由晶格中取代碳原子的一个氮原子和相邻格点上的一个空位构成(见图1)。其独特的能级结构和光学性质使得我们可以用光磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance, ODMR )的方法操控其电子自旋状态;其电子自旋态在室温下就具有很长的相干时间;同时,周围核自旋提供了丰富的超精细相互作用,可以组成多量子比特系统。这些性质使得氮-空位中心在量子计算、高空间分辨率的弱磁探测和温度探测等方面拥有巨大的应用价值。

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图1 金刚石晶体中的氮空位中心

本课题组的研究内容包括:

(1)研究氮空位中心中单自旋态(包括电子自旋和核自旋)的退相干机制;

(2)量子态相干性的保护,如动力学解耦和动态核自旋极化;

(3)基于氮空位中心的单自旋态和多自旋态,进行量子计算和量子信息的原理性探索,如普适的量子逻辑门,量子纠缠,量子克隆机等;

(4)探索氮空位中心量子比特和其它量子系统(如超导量子比特)的耦合方案;

(5)发展光磁共振技术在高空间分辨率的弱磁探测,温度探测等领域中的应用。

研究成果

(1) 室温下金刚石里弱耦合核自旋的量子跳变

   量子比特是构成量子计算机的基本单元,对量子比特的单次读出(single-shot readout)是可拓展的量子计算的非常重要的技术。金刚石里的核自旋由于其超长的退相干时间(室温下可以到秒)是优秀的量子比特及量子存储器,但是通常情况下核自旋都很难实现单次读出。我们创新性地提出并在实验上演示了一种用动力学解耦脉冲来锁定和连续测量弱耦合C13核自旋状态的方法,在室温下观测到单个弱耦合C13核自旋的量子跳变。演示了室温下对金刚石里弱耦合的C13核自旋单次读出技术,这项技术填补了该领域的空白。单次读出了一个耦合强度为330 kHzC13核自旋,读出时长为200 ms,保真度达到95.5%,这个工作为未来使用核自旋作为量子计算的载体提供重要的技术支撑。起源于核磁共振的动力学解耦技术,起初只是用来延长中心电子自旋的相干时间。随后的研究发现它可以精确地定位和操控近邻核自旋的演化。我们提出用动力学解耦脉冲实现强度可控的量子测量。通过有选择性的连续弱测量,唯一被选中的C13核自旋会被锁定在其本征态,这个状态会反映在中心电子自旋荧光强度上并被记录。基于这种高灵敏度和高保真度的探测手段,处在复杂环境中的弱耦合C13核自旋量子状态跳变被成功观测到。核自旋的单次读出(single-shot readout)也变得不再需要强磁场和低温等极端条件。该方案大大提升了数量众多且相干性质极好的弱耦合C13核自旋的应用价值,对室温下多量子比特器件的构建具有重要意义。该工作发表在Physical Review Letters 118, 150504 (2017)上。

详见报导:http://iop.cas.cn/xwzx/kydt/201704/t20170417_4776474.html

图2 室温下单个C13核自旋量子跳变的实验信号及保真度分析。其中(a)是实验脉冲序列,(b)是典型的量子跳变信号; (c-d) 的数据分析显示单次读出保真度为95.5%。

 

(2) 首个固态体系里利用量子纠缠态实现的超精密相位测量

   我们发现氮空位中心电子自旋和近邻的C13核自旋作为独立的量子比特使用时,其相位信息可以由射频微波脉冲精确地控制和测量,重复测量能达到的精度遵循中心极限定理,当这两个不同物理载体的量子比特纠缠到一起时,对它们相位信息的统一测量能获得比独立测量更高的精确度,逼近海森堡极限。实验测量结果显示当我们实现了这两个量子比特的量子纠缠时,对它们纠缠态的相位测量提高到全新精确度,相关工作发表在Nature Communications 6, 6726 (2015)上。

详见报导:http://iop.cas.cn/xwzx/kydt/201504/t20150407_4333029.html

3 两量子比特分别测量相位信息和形成纠缠态测量相位信息不确定度的比较。(a,c,d)分别展示出纠缠态相位测量的精度明显高于单独相位测量的精度。(b) 标准量子极限和海森堡极限的公式和实验数据分别符合的很好,可以展示量子纠缠辅助量子计量学的优势。 

 

(3) 量子计算和量子信息的原理性探索

   氮空位中心的电子自旋和近邻的核自旋都是理想的量子比特。其中电子自旋可以用激光极化,用微波操控,以及荧光读出;核自旋的状态在电子自旋的辅助下,也可以实现对应的操控。我们已经实现自旋单比特和双比特的普适量子逻辑门操作,可以进行量子计算和量子信息应用上的原理性探索和演示。

   为了实现真正意义上的量子计算,延长量子比特的相干时间以及实现复合(扩展)比特的相干操作是主要挑战。氮空位中心近邻的核自旋是实现扩展量子计算的优良媒介,同时也是造成中心电子自旋退相干的主要原因。常规的动力学解耦技术(Dynamical Decoupling)可以有效延长中心电子自旋的相干时间,但也会不可避免地影响电子自旋和核自旋的相互作用,而这种相互作用又是实现复合比特量子逻辑门(Quantum Gate)的必备条件,所以同时实现中心电子自旋相干性保护和量子逻辑门是非常困难的。

   为了解决这一矛盾,我们与香港中文大学刘仁保教授组合作,提出用动力学解耦来直接实现的量子逻辑门的方案(Quantum Gate by Dynamical Decoupling)。这个方案仅需要给氮-空位中心的电子自旋施加特定间隔的动力学解耦脉冲,就能在保护电子自旋相干性的同时,引导邻近的C13 核自旋完成特定的演化,进而实现普适的量子逻辑门操作。我们理论设计并在实验上演示了这一方案中的受控非门(controlled-NOT Gate),用该量子逻辑门实现了电子自旋和核自旋的最大纠缠态的制备,末态(Bell State)保真度达到了91%。我们还进一步测试了该量子逻辑门的多次操作效果,发现它能将电子自旋相干时间延长30倍以上。这一创新技术可以推广到其它需要用动力学解耦来延长相干时间的量子计算体系中,具有普适意义。相关结果发表在Nature Communications 4, 2254 (2013)上。 

详见报导:http://iop.cas.cn/xwzx/kydt/201308/t20130814_3911937.html

 

4 金刚石氮空位中心电子自旋和近邻C13核自旋构成的双比特系统以及用动力学解耦脉冲来引导系统演化

 

(4) 氮空位中心电子自旋退相干机制的理解

室温下氮空位中心电子自旋的退相干主要由周围的自旋环境决定。对于Ib型金刚石,由于氮杂质含量比较高(200 ppm),晶格中存在大量带电子自旋的P1 Center缺陷,构成了一个快速变化的自旋环境,在这种情况下氮空位中心的相干时间比较短,通常只有几百纳秒。对于IIa型金刚石,氮杂质很少(<5 ppb),主导氮空位中心电子自旋退相干的是周围随机分布的C13核自旋(自然丰度1.1%)。核自旋演化很慢,涨落相对较小,使得中心电子自旋的时间可以长达几微秒。

 我们系统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,通常在室温下,如果不使用特殊方法(Spin Echo)来抑制,热噪声会比量子噪声强很多倍。但是在室温下的氮空位中心体系中,仅使用Ramsey干涉测量,我们就观测到了明显量子噪声涨落效应。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。这项工作让我们对氮空位中心体系退相干机制的理解又推进了一步,该项研究结果发表在Scientific Reports 2, 432 (2012)上。

详见报导:http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201206/t20120619_3602448.html

 

 5 退相干时间和涨落性质随外加磁场的变化

(5) 量子态相干性的保护

量子态的相干性是进行量子计算和其它应用最重要的条件。为了保护量子态的相干性,延长量子比特的相干时间,可以使用如下的方案:

   动力学解耦技术(Dynamical decoupling, DD)。对于慢变的自旋环境,起源于核磁共振的动力学解耦技术是抑制退相干简单高效方案——在系统演化进程中,通过在特定的时刻施加翻转脉冲,使得环境演化带来的随机相位相互抵消,以达到延长量子态相干时间的目的。动力学解耦是一种被动的抑制方案,在氮空位中心系统中已经得到多个实验证实,可以延长电子自旋相干时间2个数量级。

    动态核自旋极化(dynamic nuclear spin polarization, DNP)是解决系统退相干的另一方案。通过建立合适的自旋极化度转移通道,主动地将自旋环境极化起来,使得环境对量子系统演化的影响大大降低。更重要的是,这种极化度可以持续较长时间,在这个过程中可以自由地操作量子系统,所以动态核自旋极化和量子计算具有更好的兼容性。

利用Hartman-Hahn 双共振条件建立自旋转移通道,我们成功演示了在相对较弱的磁场下,氮空位中心系统中的动态核极化,有效延长了中心电子自旋的相干时间。进一步地,通过数值模拟和实验检验,我们优化了动态核自旋极化条件。相关结果发表在Nanoscale 6, 10134 (2014)上。

6 用动态核自旋极化来延长中心电子自旋的相干时间 

 

(6) 量子信息实验演示

   量子计算和量子信息是受到普遍关注的研究前沿。经典信息可以被精确拷贝,但是一个未知的量子态不可以被精确克隆,这就是量子非克隆原理。它是量子力学和量子信息的一个基本原理,在量子信息的研究中有广泛的应用。建立在量子密钥分发基础上的安全通信是量子信息的一个重要应用,它的安全性就建立在量子非克隆原理之上,因为如果量子态可以被精确克隆,就可以把传送的量子态原封不动地克隆无穷多份,通过测量这些完全一样的量子态我们总可以精确知道这个量子态,从而破解量子密钥分发。虽然量子态不可以被精确克隆,但可以近似地克隆它或者概率地克隆它,这就是量子克隆机的概念。利用金刚石纳米颗粒中的氮空位中心,我们首次进行了室温下固态体系中量子相位克隆机的实验演示,相关工作发表在Scientific Reports 3,1498(2013)上。

 

 

7 室温下固态体系中量子相位克隆机的实验演示

 
 

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