合工大量子力学「合工大在金刚石NV色心量子控制领域取得重要进展」

发布者：丹江水暖 2023-9-8 02:57 来自: 奇趣网

未来网高校频道9月5日讯（记者杨子健通讯员徐南阳）近日，合肥工业大学电物学院量子信息实验室在金刚石NV色心量子调控技术上取得多项进展，分别完成了多比特强耦合量子寄存器的制备，以及NV色心电子自旋态的Wigner函数表征。两项成果分别发表于应用物理著名学术期刊《Physical Review Applied》（中科院JCR一区）和《Applied Physics Letters》（自然指数杂志）上。

据了解，金刚石NV色心是目前量子信息领域研究的热点方向，它是金刚石中由氮原子（N）和邻近的空穴（V）组成的一个分子缺陷结构，结合附近的核自旋可以组成一个可在常温下控制的量子寄存器。由于金刚石NV色心尺寸在纳米以下，且具有高旋磁比等特点，目前被广泛应用于单分子核磁共振，微观电磁场成像和细胞成像等研究中。目前针对金刚石NV色心电子自旋的量子态制备和控制可以很好实现，但其附近单个强耦合核自旋的量子态制备保真度只有77%不到，严重限制了其作为量子寄存器应用中的效率。

在多比特强耦合量子寄存器的制备中，该实验室研究人员通过研究发现制备过程的低效率来源于激光引起的NV色心的离子化，并将调制激光技术引入该制备过程，实验验证结合仿真计算证明了该技术能够大大减小色心离子化的概率。通过这些新方法，该实验室将单个强耦合核自旋的极化效率提高到了98%以上，双核效率达到96%以上。该工作第一及通信作者为徐南阳教授，中科大王亚教授，杜江峰院士为共同通信作者。

在NV色心电子自旋态的Wigner函数表征研究中，该实验室完成了NV色心电子自旋的量子态Wigner函数重构工作。随着量子比特数的增加，传统的量子态评估方法即密度矩阵重构在实践中变得困难。另一方面用于描述连续自由度的量子系统的Wigner 函数方法具有不依赖于量子比特数的优点。最近很多研究小组尝试将 Wigner 函数方法推广到有限维希尔伯特空间的量子系统。实验实现了基于 Wigner 函数的金刚石 NV 色心单个电子自旋量子态的重构。实验中重构的 Wigner 函数包含了与密度矩阵完全相同的信息，可以描述近乎纯粹的退相干过程中的单个量子比特的量子态的演化。该工作第一作者为陈冰副教授，徐南阳教授和牛津大学申恒研究员为共同通信作者。

该校电物学院量子信息实验室由徐南阳教授领导，主要成员包括陈冰副教授和钱鹏副教授。研究方向为基于自旋和原子体系的量子控制和量子精密测量。这些工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委面上及青年基金项目，中央高校基本科研业务费等的支持。

金刚石nv值

120~1800HV。《金刚石NV色心量子纠缠的实验研究》是依托中国科学技术大学，由孙方稳担任项目负责人的面上项目。金刚石氮-空位(NV)色心因为其在室温下的长相干时间、高光学稳定性等特性已经成为实现量子信息技术一种重要的物理体系。本项目开展了金刚石样品和NV色心的人工制备，微纳光学结构与NV色心的耦合，NV色心电子自旋态操控以及在量子计算、量子精密测量的中的应用。

南科大学者合作在拓扑体系动力学表征方向再次取得研究进展

近日，南方科技大学物理系/量子科学与工程研究院助理教授吴健生课题组与北京大学教授刘雄军课题组、中国科学技术大学教授王亚课题组合作首次提出了高阶能带翻转面的概念，基于这一概念进一步提出了动力学表征拓扑属性的实验方案，并利用量子模拟器对这一实验方案的优势进行了认证，相关研究结果以“Quantum dynamical characterization and simulation of topological phases with high-order band inversion surfaces”为题发表在 PRX Quantum 。

在拓扑量子体系中，体边对应是一个重要的物理机制，比如在量子霍尔效应、拓扑绝缘体和拓扑超导体中，体系的拓扑数和边界态的数目是相互关联的，因此体边对应机制可以用于验证体系的拓扑量子态和测量拓扑不变量。在实空间中，这一机制可以被很好地定义，却无法扩展到动量空间，因为后者是完全封闭的，不存在边界。最近一种定义在动量空间中的拓扑分类方法被提出，它指出一个d维体系的拓扑数可以用d-1维动量子空间中的自旋纹理进行表征，这个子空间被称之为能带翻转面。实验研究显示，这一方法在拓扑表征上具有两个明显优势：一是能够利用动力学方法进行表征；二是可以进行高精度的实验测量。在当前工作中，研究团队从拓扑体系的动力学表征出发，进一步提出了高阶能带翻转面的概念。基于“降低维度”的方法，展示了通过量子淬灭技术，体系的拓扑属性可以在高阶能带翻转面上表征出来，并在实验中验证了在高阶能带翻转面上进行拓扑表征的巨大优势。

图1:三维手征拓扑绝缘体的一/二/三阶能带翻转面和相应的自旋纹理。

该研究首先在理论上对一个三维手征拓扑绝缘体进行了动力学表征，这个系统的不同阶的能带翻转面体现为动量空间中不同维度的曲面[图1(a-1)的曲面]，曲线[图1(b-1)的曲线]和点[图1(c-1)上的点]。通过淬灭和测量自旋方向，可以确定这些曲面，曲线和点上面相应的自旋纹理[图1(a,b,c-2)上的箭头]；通过这些自旋纹理都可以同样得到系统的完全相同的拓扑信息。优点是随着能带翻转面的维度降低，测量的范围明显缩小，特别是在最高阶情况中，能带翻转面是零维的，只有两个点，这使得实验上的测量步骤大大简化，相对于一阶和二阶情况具有明显的优势。这套能带反转面及其降维的方案适用于一般的拓扑能带理论，可以用非常简化的实验来测量体系的拓扑性质。

图2: (a,b)基于金刚石NV色心固态自旋建立的量子模拟器。(c-f) 三维手征拓扑绝缘体动力学表征的量子模拟。

该研究对这一表征方案及其优势进行了实验上的认证。图2展示了基于金刚石NV色心固态自旋建立的量子模拟器，通过对能带翻转面的降维，最终得到零维的三阶能带翻转面，即动量空间中的两个点，在测量其周围的时间平均极化率后，可以得到自旋纹理，从而确定体系的拓扑非平庸属性，同时也演示了用高阶能带翻转面进行拓扑表征的巨大优势。

论文的第一单位为南方科技大学，共同第一作者是量子科学与工程研究院研究助理教授虞祥龙、中国科学技术大学博士后季文韬和北京大学博士生张林，通讯作者是王亚、吴健生、刘雄军。该成果得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、广东省重点实验室以及深圳市科创委基础研究面上项目的大力支持。
文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PRXQuantum.2.020320

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