基于金刚石氮空位发光中心的量子调控实验研究

摘要

自从上世纪量子力学诞生以来，人类逐渐从量子层次加深了物质世界的认识。随着科学技术的方法，人类对物质世界的操控也到达了量子尺度，诞生了量子信息科学。对量子系统的操控将会对量子信息领域产生深远的影响。然而量子系统往往很容易受到外界环境的影响发生退相干，所以对量子系统的调控并非那么容易。目前，人类已经研究了各种各样不同的量子体系，金刚石氮空位发光中心以其固态易集成，室温下相干时间长，能够用激光进行初始化和读出，还可以进行微波操控等优势受到越来越多的关注。本论文主要以金刚石中单个氮空位发光中心为研究对象进行量子调控实验研究。
　　本篇博士论文首先从金刚石氮空位发光中心(NV色心)基本性质开始，说明了NV色心电子自旋退相干因素的主要来源，简要分析了NV色心在精密测量领域和量子计算领域的应用。
　　接着我们利用自己搭建的室温下光探测磁共振平台，实验证明了在NV色心量子体系上利用连续波动力学去耦，不仅将NV色心的相干时问延长了20倍，而且发现在进行量子控制的同时，量子逻辑门依然可以被很好的保护起来。这种方法可以解决利用脉冲动力学去耦的同时实现量子逻辑门操作的复杂问题，在需要量子控制时间远大于退相干时间的情况非常有用，同样也可以用在量子精密测量领域。
　　然后我们利用金刚石中NV色心电子自旋和最近邻碳13C核自旋形成量子纠缠，利用量子纠缠研究了NV色心的非马尔科夫量子动力学行为，利用动力学解耦技术压制了环境噪声，揭示了环境中隐藏的量子非马尔科夫性。
　　为了研究和利用NV色心的激发态性质，我们搭建了低温下光探测磁共振平台，利用斯塔克效应，实现了NV色心激发态能级的调节;同时结合固态浸入透镜技术，利用共振荧光方法，实现了NV色心电子自旋的单次读出，读出保真度约为90％。
　　最后，对本论文做出总结，并分析了NV色心实现实用性量子计算，量子网络遇到的问题，展望了未来实用化量子网络的可能性解决方案。

目录

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摘要

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第1章 绪论

1．1 研究动机

1．2 量子体系

1．2．1 离子阱

1．2．2 人工固态体系

1．2．3 晶体点缺陷

1．3 本论文章节结构

第2章 金刚石NV色心的主要性质及应用

2．1 金刚石NV色心

2．1．1 金刚石简介

2．1．2 NV色心及形成

2．2 NV色心的能级结构

2．3 NV色心的电学和光学特性

2．4 NV色心的自旋性质

2．5 NV色心电子自旋的退相干

2．5．1 NV色心的纵向弛豫

2．5．2 NV色心的横向弛豫和动力学去耦

2．6 光探测磁共振基本实验技术

2．7 NV色心的应用和研究前景

2．7．1 量子信息

2．7．2 精密测量

2．8 小结

第3章 连续波去耦保护量子逻辑门的实验实现

3．1 研究背景

3．2 实验体系和理论模型

3．2．1 实验体系

3．2．2 理论模型

3．3 实验过程和实验结果

3．3．1 脉冲序列

3．3．2 实验硬件

3．3．3 实验结果与讨论

3．4 小结与展望

第4章 金刚石中量子非马尔科夫性的实验观测

4．1 量子非马尔科夫性

4．1．1 开放量子系统和动力学映射

4．1．2 动力学映射的可分离性

4．1．3 主方程

4．1．4 经典随机过程中的马尔科夫性

4．1．5 量子过程中的马尔科夫性

4．1．6 量子非马尔科夫性的度量

4．2 实验描述

4．2．1 研究动机

4．2．2 实验体系与实验条件

4．2．3 实验过程与实验结果

4．2．4 实验结果分析与讨论

4．3 小结与展望

第5章 低温下NV色心光学性质的实验研究

5．1 低温平台简介

5．1．1 光学部分

5．1．2 低温与真空

5．1．3 微波与电子学部分

5．1．4 磁场部分

5．2 NV色心的激发态

5．2．1 低温下NV色心的激发光谱

5．2．2 激发态能级的电场调节

5．3 单电子自旋的单次实验读出

5．4 小结与展望

第6章 总结与展望

6．1 本论文主要工作简要总结

6．2 未来发展前景展望

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