潘新宇 研究员

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教育及科研经历:

1997年 俄罗斯莫斯科大学 硕士

2000年 俄罗斯莫斯科大学 博士

20002002年 北京大学物理系 博士后

20022005年 美国University of Iowa爱荷华大学 博士后、研究学者

20068月以物理所“所级百人计划进入固态量子信息与计算实验室

2013年入选2011计划“量子物质科学协同创新中心”研究员

 

主要研究方向:基于金刚石氮空位中心的量子计算和量子信息

主要学术成果: 2007年搭建国内第一套金刚石量子调控实验平台,平台具备单电子自旋探测及单光子探测灵敏度,多项技术指标达到国际先进水平,共搭建完成三套室温激光扫描共聚焦荧光显微系统和一套低温显微系统,并发展了固态浸没透镜微纳加工技术。室温下观测到弱耦合的核自旋的量子跳变现象,国际上首次提出并用动力学解耦技术实现具有相干性自保护功能的CNOT门,利用量子纠缠态实现了对相位的超精密测量,测量精度超越了标准量子极限,达到海森堡极限,进行了室温下固态体系中最优化相位量子克隆机的演示。目前在国际核心期刊Physical Review Letters,Nature Communications, Nanoscale,Scientific Reports, Applied Physics Letters, Physical Review B等发表论文40多篇,承担了国家自然科学基金委面上项目、科技部973重大研究计划、中国科学院知识创新工程等多项科研项目。国内外学术会议邀请报告15次,在职期间,培养硕士研究生3名,博士研究生3名。
 

1. 以激光扫描共聚焦荧光显微系统为主体的量子调控平台

自主设计搭建了四套由激光扫描、荧光收集、磁场三维旋转、射频微波脉冲控制组成的量子调控系统,其中一套具备液氦低温工作条件。系统达到了500 nm空间分辨率,单光子级别探测灵敏度,可以施加0-2000 Gauss的磁场,自旋共振谱扫描范围50 kHz到6 GHz,光脉冲和微波控制精度达到ns量级,单个氮空位中心的荧光收集效率为每秒50万光子,Rabi振荡频率达到50 MHz,多项参数达到国际先进水平,可以全面开展金刚石自旋比特的量子调控实验研究。

2. 动力学解耦技术实现具有相干性自保护功能的CNOT

量子逻辑门(Quantum Gate)是量子计算的基本单元,其执行效率不可避免地受到系统退相干过程的影响,动力学解耦技术(Dynamical Decoupling)可以有效抑制系统的退相干,但是通常不能和逻辑门同时实施。为了解决这一矛盾,我们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C-13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。相关工作发表在Nature Communications 4,2254 (2013)上。

3. 室温下观测到弱耦合核自旋的量子跳变现象

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,被选中的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。

4. 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。

5.室温下固态体系中最优化相位量子克隆机的演示

利用金刚石氮空位中心电子自旋基态的三能级结构,结合巧妙的编码,我们首次在室温下固态体系中进行了最优化相位量子克隆机的演示。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,工作发表在Applied Physics Letters 99, 051113 (2011)上。在进一步掌握了更精确的量子态相位控制技术之后,我们用相位克隆机演示了对BB84协议中四个基本态的克隆操作,并用量子状态层析 (State Tomography)来分析了克隆的结果,达到了非常高的保真度。该方案可以应用于基于相位的量子计算器件中。相关工作发表在Scientific Reports 3, 01498 (2013)上。

6. 金刚石样品的相关微纳加工工艺

由于金刚石硬度高,不导电,对其形状的加工一直是实验上的难点。通过与中科院物理所微加工实验室合作,我们实现了金刚石单晶中SIL固态浸没透镜的加工,并已申请专利。该技术使用聚焦离子束来刻蚀金刚石,使得氮空位中心正好处在半球形的微透镜中心,从而荧光能最大限度地收集到物镜中。同时该微结构会抑制背景荧光,使得实验的信噪比大大提升,为单自旋的单次探测实验做好了技术储备。另外我们还利用微加工技术在金刚石表面制作了高效的共面波导(CPW)微波天线,将微波调控的效率成倍提高,为高保真度的脉冲操控做好了技术储备。

 

代表性文章:(* 为通讯作者文章)

1. Liu GQ, Xing J, Ma WL, Wang P, Li CH, Po HC, Zhang YR, Fan H, Liu RB, Pan XY* “Single-Shot Readout of a Nuclear Spin Weakly Coupled to a Nitrogen-Vacancy Center at Room Temperature”, Physical Review Letters 118, 150504 (2017).

2. Liu GQ, Zhang YR, Chang YC, Yue JD, Fan H, Pan XY* “Demonstration of entanglement-enhanced phase estimation in solid”, Nature Communications 6, 6726 (2015).

3. Liu GQ, Po HC, Du JF, Liu RB, Pan XY* “Noise-resilient quantum evolution steered by dynamical decoupling”, Nature Communications 4, 2254 (2013).

4. Liu GQ, Jiang QQ, Chang YC, Liu DQ, Li WX, Gu CZ, Po HC, Zhang WX, Zhao N, Pan XY* “Protection of centre spin coherence by dynamic nuclear spin polarization in diamond”, Nanoscale 6, 10134 (2014).

5. Chang YC, Xing J, Zhang FH, Liu GQ, Jiang QQ, Li WX, Gu CZ, Long GL, Pan XY* “Band-selective shaped pulse for high fidelity quantum control in diamond”, Applied Physics Letters 104, 262403 (2014).

6. Xing J, Chang YC, Wang N, Liu GQ, Pan XY* "Electron Spin Decoherence of Nitrogen-Vacancy Center Coupled to Multiple Spin Baths", Chinese Physics Letters 33, 107601 (2016).

7. Jiang QQ, Li WX, Tang CC, Chang YC, Hao TT, Pan XY, Ye HT, Li JJ, Gu CZ "Large scale fabrication of nitrogen vacancy-embedded diamond nanostructures for single-photon source applications", Chinese Physics B 25, 118105 (2016).

8. Jiang QQ, Liu DQ, Liu GQ, Chang YC, Li WX, Pan XY, Gu CZ*. Focused-ion-beam overlay-patterning of 3D diamond structures for advanced single-photon properties”, Journal of Applied Physics 116, 044308 (2014).

9. Liu DQ, Liu GQ, Chang YQ, Pan XY* “Scaling of dynamical decoupling for a single electron spin in nanodiamonds at room temperature”, Physica B 432, 84 (2014).

10. Chang YC, Liu GQ, Liu DQ, Fan H, Pan XY* “Room-temperature quantum cloning machine with full coherent phase control in nanodiamond”, Scientific Reports 3, 1498 (2013).

11.  Liu DQ, Chang YQ, Liu GQ, Pan XY* “Electron spin studies of nitrogen vacancy centers in nanodiamonds”, Acta Phys. Sin. 62, 164208 (2013).

12.  Liu GQ, Pan XY*, Jiang ZF, Zhao N, Liu RB “Controllable effects of quantum fluctuations on spin free-induction decay at room temperature”, Scientific Reports 2, 432 (2012).

13. Hu X, Liu GQ, Xu ZC, Pan XY* “Influence of microwave detuning on Ramsey fringes of a single nitrogen vacancy center spin in diamond”, Chinese Physics Letters 29, 024210 (2012).

14. Hu X, Liu DQ, Pan XY* “Nuclear spin induced collapse and revival shape of Rabi oscillations of a single electron spin in diamond”, Chinese Physics B 20, 117801 (2011).

15. Pan XY*, Liu GQ, Yang LL, Fan H “Solid-state optimal phase-covariant quantum cloning machine”, Applied Physics Letters 99, 051113 (2011).

16. Yang Lili, Liu Gangqin, Pan Xinyu*, Chen Dongmin “Design and Application of a Near Field Microwave Antenna for the Spin Control of Nitrogen-Vacancy Centers”, Chinese Physics Letters 27, 038401 (2010).

17. Zhang PJ, Meng Y, Liu ZY, Pan XY, Liang XJ, Chen DM, Zhao HW “Influences of dislocation distribution on the resistive switching effect of Ag-SiO2 thin films”, Acta Phys. Sin. 61, 107703 (2012).

18. Liu ZY, Zhang PJ, Meng Y, Tian HF, Li JQ, Pan XY, Liang XJ, Chen DM, Zhao HW “Effect of TaOx thickness on the resistive switching of Ta/Pr0.7Ca0.3MnO3/Pt films”, Applied Physics Letters 100, 143506 (2012).

19. Zhang PJ, Meng Y, Liu ZY, Li D, Su T, Meng QY, Mao Q, Pan XY, Chen DM, Zhao HW “Impact of interfacial resistance switching on thermoelectric effect of Nb-doped SrTiO3 single crystalline”, Journal of Applied Physics 111, 063702 (2012).

20.  Meng Y, Zhang PJ, Liu ZY, Liao ZL, Pan XY, Liang XJ, Zhao HW, Chen DM “Enhanced resistance switching stability of transparent ITO/TiO2/ITO sandwiches”, Chinese Physics B 19, 037304 (2010).

 

 

 

 
 

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