合肥工大在金剛石NV色心量子控制領域取得重要進展

合肥工業大學電物學院量子信息實驗室在金剛石NV色心量子調控技術上取得多項進展，分別完成了多比特強耦合量子寄存器的制備，以及NV色心電子自旋態的Wigner函數表征。兩項成果分別發表于應用物理著名學術期刊《Physical Review Applied》(中科院JCR一區)和《Applied Physics Letters》(自然指數雜志)上。

據了解，金剛石NV色心是目前量子信息領域研究的熱點方向，它是金剛石中由氮原子(N)和鄰近的空穴(V)組成的一個分子缺陷結構，結合附近的核自旋可以組成一個可在常溫下控制的量子寄存器。由于金剛石NV色心尺寸在納米以下，且具有高旋磁比等特點，目前被廣泛應用于單分子核磁共振，微觀電磁場成像和細胞成像等研究中。目前針對金剛石NV色心電子自旋的量子態制備和控制可以很好實現，但其附近單個強耦合核自旋的量子態制備保真度只有不到77%，嚴重限制了其作為量子寄存器應用中的效率。

在多比特強耦合量子寄存器的制備中，該實驗室研究人員通過研究發現制備過程的低效率來源于激光引起的NV色心的離子化，于是將調制激光技術引入該制備過程，實驗驗證結合仿真計算證明了該技術能夠大大減小色心離子化的概率。通過這些新方法，該實驗室將單個強耦合核自旋的極化效率提高到了98%以上，雙核效率達到96%以上。該工作第一及通信作者為徐南陽教授，中科大王亞教授、杜江峰院士為共同通信作者。

在NV色心電子自旋態的Wigner函數表征研究中，該實驗室完成了NV色心電子自旋的量子態Wigner函數重構工作。隨著量子比特數的增加，傳統的量子態評估方法即密度矩陣重構在實踐中變得困難。另一方面用于描述連續自由度的量子系統的Wigner 函數方法具有不依賴于量子比特數的優點。最近很多研究小組嘗試將 Wigner 函數方法推廣到有限維希爾伯特空間的量子系統。實驗實現了基于 Wigner 函數的金剛石 NV 色心單個電子自旋量子態的重構。實驗中重構的 Wigner 函數包含了與密度矩陣完全相同的信息，可以描述近乎純粹的退相干過程中的單個量子比特的量子態的演化。該工作第一作者為陳冰副教授，徐南陽教授和牛津大學申恒研究員為共同通信作者。(未來網)