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    我国科学家观测到室温下金刚石里弱耦合核自旋的量子跳变

    日期 2017-04-25   来源:数学物理科学部   作者:倪培根 张守著  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:11574386)的资助下,中国科学院物理研究所潘新宇研究员团队和香港中文大学刘仁保教授合作在国际上首次在室温下观测到金刚石里单个弱耦合核自旋的量子跳变现象。相关研究成果以“Single-Shot Readout of a Nuclear Spin Weakly Coupled to a Nitrogen-Vacancy Center at Room Temperature”(室温下氮空位中心里弱耦合的核自旋单次读出)为题于2017年4月14日发表在Physical Review Letters上。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.150504。

      作为可能实现量子计算的物理体系之一,金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancy center)逐渐成为非常重要的国际前沿方向。对量子比特的单次读出(single-shot readout)是可拓展的量子计算里非常重要的技术,金刚石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很难实现单次读出。该团队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核自旋状态的方法,在室温下观测到了单个弱耦合核自旋的量子跳变。他们成功地单次读出了一个耦合强度为330kHz的核自旋,读出时长为200ms,保真度达到95.5%,该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。他们演示的对弱耦合的核自旋单次读出技术也填补了该领域的空白。

      该团队提出了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。核自旋的单次读出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及可拓展的量子计算具有非常重要的意义。

    图.室温下单个核自旋量子跳变的实验信号及保真度分析。其中(a)是实验CPMG脉冲序列;(b)是实验观测到的典型的量子跳变信号;(c)和(d)的数据分析显示单次读出核自旋量子态的保真度为95.5%。




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