合工大在金刚石NV色心量子控制领域取得重要进展

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。

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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。

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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。