金刚石中电子自旋的相干控制与应用

摘要

经典世界中，随着信息大爆炸时代的到来，寻找一种有效存储和处理信息的方法是件很迫切事情。传统的硅基电子学已经经历过快速、持久的发展，但是由于组成单元——三极管不断微型化，现在它的几何尺寸已经受到量子效应的限制，成为半导体行业发展的一块巨大的绊脚石。因此，现在我们有两种方法解决上面问题:一条是利用复杂的加工工艺客服量子效应;另一条是利用量子效应，寻求一种新的、具有更强大信息处理能力新手段。量子信息处理就属于后者，它利用量子世界的特性:量子叠加和量子纠缠，用于实现信息通讯绝对安全、相对经典计算机快速有效解决实际问题的目的。
　　最近，金刚石材料由于其特殊的物理属性，频频出现在量子信息处理研究领域。尤其值得一提的是金刚石中的氮——空位(NV)色心的电子自旋，由于在室温下具有极长的相干时间、高保真度量子控制、良好的生物兼容性、简易的自旋态光学读出手段，使其很快在量子计算、量子模拟和量子传感领域方面取得重大突破进展。
　　在这篇论文中，我们利用共聚焦光路定位单个NV色心、结合微波操控，实现金刚石中NV色心的量子相干控制、量子D-J算法、纳米尺度量子传感、纠缠辅助量子计量，详细内容如下:
　　1、利用室温通用的共聚焦显微成像系统，实现对单个NV色心高信噪比定位成像。通过研究NV色心的电荷转化与激发光偏振依赖关系，我们在实验上观测、研究与此相关的荧光反常饱和现象。最终，我们通过对激光偏振、功率的最优化控制实现快速对NV色心电子自旋态的初始化。
　　2、利用光与物质相互作用的基本原理，在实验上实现对单个NV色心电子自旋态的单比特编码与任意操作;并且基于单比特相干操作，我们在NV色心体系上运行了第一个量子算法—D-J算法。算法运行的结果比较奇异:通过对NV色心电子自旋态测量时间选择，量子算法时而超越经典运算，时而彻底失效。这种现象与经典的波恩马尔科夫近似理论严重不符。我们利用非马尔可夫理论系统研究NV色心电子自旋体系环境，发现环境的记忆效应，进而解释了量子D-J算法运行非单调结果。通过对NV色心电子自旋非马尔可夫环境的充分认识，我们结合动力学去耦技术,把D-J算法的保真度提高到97％，并且优化相干脉冲操作序列，实验上在频率域空间上直接观测与时域信号相符的三模谱线结构。利用优化后的脉冲序列，我们对不同的NV色心自旋环境进行探测，发现了少量与NV色心电子强耦合的核自旋。这些暗态核自旋具有长的相干时间是量子寄存器的最佳物理载体。
　　3、通过利用多频微波同步相干操作，提升单个NV色心在量子传感中的性能、适用范围。NV色心的电子常常与暗态核自旋进行耦合，造成谱线劈裂，从而降低它的量子传感新能。借功于多频微波同步操作技术，我们消除了NV色心电子自旋与外界核子耦合导致的谱线劈裂对实际量子传感的影响。最终，把NV色心电子自旋探测磁场信噪比与探测灵敏度提高了3倍左右。由于方法的普适性，使得我们向在量子传感中充分利用NV色心相干性资源迈进了坚实的一步。
　　4、在非马尔可夫环境噪声下，利用动力学去耦技术恢复量子多体纠缠的测量精度。一般地说，在全相干的情况下，通过利用量子纠缠可以获得超越经典量子标准极限的测量精度，并且最终到达海森堡量子探测极限。但是实际环境中微弱噪声都有可能把量子纠缠探测的优势抹杀，退化到经典的情况。为了保持量子纠缠探测策略的潜在优越性，我们结合动力学去耦理论提出受保护的纠缠探测协议。在对量子体系与环境相互作用建模之后，指出在非马尔可夫环境下:我们受保护的探测协议可以使纠缠探测恢复量子优势，探测精度与探针数呈现N-11/12关系。这将会打开基于量子关联资源探测微观物理世界弱信号的大门。
　　最近在NV色心领域，很多研究工作都集中在量子反馈控制、大规模量子模拟和混合量子传感上。我们的工作为上述研究奠定了坚实的基础。通过对NV色心微观环境的探索，我们将会实现高保真度量子控制以及充分利用量子相干性提高NV色心在量子信息处理中性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．2．量子信息处理的普适性与优越性

1．2 量子计算

1．2．1．量子比特与相干操作

1．2．2．两种量子计算模型

1．3 物理实验平台

1．3．2．固态自旋体系

1．3．3．混合体系

1．4 量子计量

1．5 固态量子体系的退相干

1．5．1．Lindblad主方程方法

1．5．2．自旋玻色模型

第2章 金刚石晶体与NV色心的物性

2．1．1．金刚石晶体的制备与微纳加工

2．1．2．金刚石晶体分类与发光缺陷

2．2 金刚石中的NV色心的研究发展

2．3 金刚石中的NV色心的制备与物性

2．3．2．NV色心的物性

2．4 光学激发与探测单个NV色心

2．4．1．单个NV色心实验定位的系统

2．4．2．单个NV色心激发的反常偏振特陛

2．5 本章小结

第3章 NV色心的相干操作与量子D-J算法物理展示

3．1．1．NV色心磁共振信号

3．1．2．NV色心相干时域信号与量子比特

3．2 利用NV色心运行量子D-J算法

3．2．1．量子D-J算法在NV色心上运行结果

3．2．2．NV色心电子自旋环境的非马尔科夫性

3．2．3．利用非马尔科夫性环境提高D-J算法的保真度

3．2．4．NV色心电子自旋环境由非马尔科夫性到马尔科夫转变

3．3 暗自旋耦合导致NV色心的谱线劈裂

3．4 本章小结

第4章 室温下基于单个NV色心的纳米尺度量子传感

4．2 单个NV色心量子传感协议

4．2．2．Ramsey时域法

4．2．3．Spin-locking时域法

4．2．4．Ramsey时域去的增强

4．3 多频微波同步操作增强测磁场灵敏度原理

4．3．1．多频微波操作工作点选定

4．3．2．验证多频微波同步操作增强测量磁场灵敏度

4．4 本章小结

第5章 量子多体纠缠与量子传感

5．2 利用量子多体纠缠提升量子传感性能

5．2．1．标准量子极限与海森堡量子极限

5．2．2．马尔科夫型消相干环境下海森堡量子极限

5．2．3．非马尔科夫型消相干环境下海森堡量子极限

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果