人工固态微结构中相干操纵实验研究：从氮-空位缺陷到微纳机械振子

摘要

量子系统的相干操纵在量子信息处理和精密测量领域有着重要的应用，是当代基础科学和工程技术的重大挑战。固态量子系统如氮-空位缺陷，量子点，超导器件都是最有希望实现实用量子计算的系统。同时，最近微纳机械振子引起了研究人员的广泛兴趣。主要是因为机械振子超长的相干时间以及利用纳米加工技术很容易和固态量子体系集成在一起。
　　机械振子和固态自旋的耦合系统的优势在于：
　　(1)机械振子可以作为探针为固态自旋量子态的读出提供新方法。
　　(2)固态自旋也可以用来制备和研究机械振子的非经典态。
　　(3)机械振子可以充当量子传感器，耦合远距离的固态自旋。然而上述研究都离不开一个先决条件，我们必须实现对上述体系有效的相干操纵。
　　本论文主要介绍我们在氮-空位缺陷和微纳机械振子中相干操纵的实验研究，尤其是朗道-齐纳动力学，耦合力学系统和宏观非线性振子。这些实验进展为我们未来研究混合量子计算提供了基础。
　　1.在金刚石中的单电子自旋中，我们实验展示超过100次朗道-齐纳隧穿形成的拉比振荡。这为强驱动物理下的相干操纵提供了新的方法。
　　2.我们研究了耦合机械振子中的相干操纵，如位移传递测量，两能级的拉比振荡。我们还在耦合振子的阵列中实验演示了非互易性的振动信号传输。这些结果为以后在力学系统实现量子相干操纵提供了新的思路。
　　3.我们提出并实验研究了单个化学键作用力在宏观力学系统中产生的超强非线性效应。并观测到了由热噪声诱导的力学双稳态的跃迁。这一技术有望进一步提高，并用来研究宏观量子效应。

目录

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摘要

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第1章 绪论

1．1 动机——量子信息处理

1．2 离子阱和冷原子体系

1．3 固态体系

1．3．1 量子点和掺杂体系

1．3．2 超导比特

1．3．3 金刚石氮-空位缺陷

1．3．4 微纳机械振子

1．4 本文结构

第2章 人工固态微结构—金刚石色心的相干控制(一)

2．1 金刚石点缺陷NV center的简介

2．2 实验的基本介绍

2．3 色心的退相千机制

2．4 色心的基本相干操纵

2．5 强驱动和朗道-齐纳隧穿

2．6 实验结果和讨论

2．7 结论及展望

第3章 人工固态微结构—金刚石色心的相干控制(二)

3．1 强驱动下的拉比振荡

3．2 实验主要方法和结果

3．2．1 实验硬件介绍

3．2．2 实验参数校准

3．2．3 基于LZS干涉仪的Rabi振荡

3．2．4 有效抑制驱动场引入的噪声

3．3 总结

第4章 人工固态微结构—宏观机械振子的相干控制(一)

4．1 宏观机械振子的介绍

4．2 实验硬件平台

4．2．1 高精度光纤干涉仪

4．2．2 超高真空测试

4．2．3 样品的微纳加工

4．3 弱耦合的耦合谐振子

4．4 实验的主要方法和结果

4．4．1 参数转换位移测量

4．4．2 参数转换位移测量的噪声分析

4．5 结论及展望

第5章 人工固态微结构—宏观机械振子的相干控制(二)

5．1 实验背景介绍

5．2 实验硬件平台

5．2．1 样品加工

5．2．2 电容耦合和磁感应测量

5．3 实验结果和讨论

5．4 结论及展望

第6章 人工固态微结构宏观机械振子的相干控制(三)

6．1 研究背景-非线性耦合

6．1．1 非线性机械振子的简介

6．1．2 基于原子点接触的非线性势

6．2 实验硬件

6．2．1 纳米机械振子的加工

6．2．2 原子点接触的产生

6．2．3 纳米机械振子位移探测方法总结

6．3 非线性振子中的力学双稳虑

6．4 热噪声引起的双稳态跃迁

6．5 小结

第7章 纳米机械振子微纳加工总结

7．1 悬臂梁结构的加工

7．1．1 紫外光刻

7．1．2 电子束曝光

7．1．3 电子束蒸发和磁控溅射金属镀膜

7．1．4 刻蚀技术

7．2 纳米力学系统的加工流程

7．2．1 紫外光刻-外围电极

7．2．2 电子束光刻-机械振子区域

7．2．3 悬臂梁图形化和释放

7．3 微纳结构的电镜检查

7．3．1 耦合悬臂梁

7．3．2 悬臂梁和原子点接触的集成

第8章 总结与展望

8．1 论文总结

8．2 不足与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果