金剛石NV色心的實時電荷初始化以增強自旋讀出

基于摻雜金剛石中的氮-空位體系（NV色心）的譜學技術，具有超高的探測本領，在物理、化學、生物等不同的學科領域均具有廣泛而重要的應用前景。我們本著分享和服務的宗旨，根據頂級期刊、新聞對部分相關文章進行中文導讀。歡迎大家在本文下方留言區(qū)進行留言討論，如內容有錯誤疏漏之處，也歡迎各位專家學者補充及批評指正，共同提高本系列文章內容服務質量，謝謝。

金剛石NV色心的實時電荷初始化以增強自旋讀出

不的狀態(tài)初始化是影響量子比特系統(tǒng)性能一種常見的障礙。金剛石氮空位（NV）色心的初始化保真度就會受限于光泵浦期間缺陷電荷態(tài)跳變。在這項研究中，研究者們則使用實時控制來確定性地初始化室溫下NV色心的電荷態(tài)。他們實驗證明了最大電荷初始化保真度為（99.4±0.1）%，并提出了初始化過程的定量模型，且發(fā)現該模型可以對自旋讀出信噪比進行系統(tǒng)級優(yōu)化。即使與初始化序列相關的耗時被考慮在內，在保持相同信噪比的情況下，使電荷初始化保真度從穩(wěn)態(tài)75%增加到接近100%讓實驗進程加速2倍。結合基于自旋-電荷轉換的高保真讀出，實時初始化與傳統(tǒng)方法相比在速度上有了20倍的提高，基于此可推測單NV色心ac磁靈敏度約為1.3 nT/Hz1/2。另外，實時控制方法對于NV色心的量子傳感應用以及用于探測電荷相關物理學也是有即時效益的，并且它還將支撐用于多量子比特系統(tǒng)的量子反饋控制協議。

Real-Time Charge Initialization of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers for Enhanced Spin Readout

David A. Hopper, et al.

縱向自旋弛豫模型在點缺陷量子比特系統(tǒng)中的應用

近年來，半導體中可控、部分孤立的少能級系統(tǒng)由于其在納米尺度精密測量和量子技術中廣泛應用得到了多學科的關注。對這類系統(tǒng)的動力學和相關應用進行定量模擬是一項具有挑戰(zhàn)性的理論任務，因為不僅要對少能級系統(tǒng)，且對其局部環(huán)境都是需要進行精確描述的。這項工作中，研究者提出了一種方法，用以描述由稀疏自旋庫導致的弛豫過程，自旋庫由核自旋與電子自旋組成。該方法是在中心自旋體系的簇近似框架下應用了一種擴展的Lindblad方程。分析結果表明，該方法可以準確描述典型的固態(tài)點缺陷量子比特系統(tǒng)（特別是金剛石中的NV色心）在不同磁場和應力下的T1時間。

Longitudinal spin relaxation model applied to point-defect qubit systems

Viktor Ivády

光泵浦自旋極化作為多體熱化探針

已知無序和多體相互作用以相互競爭的方式影響運輸和熱化，任何一種占主導的情況都會導致根本不同的動力學演化。本篇文獻主要研究了金剛石中13C的自旋擴散動力學，其中動力學核極化是通過室溫下對NV色心自旋光泵浦來實現的。研究者們專注于低豐度，強超精細耦合的核自旋。通過變頻的射頻激發(fā)，可以測到塊材中13C的磁共振信號，從而揭示其在極化輸運中起到的作用。出乎意料的是，他們在整個核自旋庫中發(fā)現的良好熱接觸實際上與超精細耦合強度無關，經分析可將其歸因于電子自旋系綜傳導的等效碳-碳相互作用。尤其是在整個超精細耦合范圍內的觀測表明，核自旋擴散常數值會比同核自旋耦合所預期的值高出兩個數量級。

Optically pumped spin polarization as a probe of many-body thermalization

Daniela Pagliero,et al.

量子鉆石單自旋譜儀技術及應用綜述

單量子態(tài)的探測與調控及分子尺度的成像技術是精密譜學儀器發(fā)展的重要方向。隨著對磁探測技術的深入探索，國儀量子自主生產研發(fā)的量子鉆石單自旋譜儀，基于摻雜金剛石中的氮-空位體系的譜學技術，具有超高的磁探測本領，在物理、化學、生物、材料、醫(yī)學等不同的學科具有廣泛而重要的應用前景。

目前，國儀量子已掌握基于NV體系的核心技術，并具備成熟的制造工藝，成功研制了量子鉆石單自旋譜儀。該譜儀通過控制光、電、磁等基本物理量，利用ODMR技術實現對鉆石中氮—空位(NV色心)發(fā)光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，譜儀具有以下特點:

初態(tài)是量子純態(tài)，易于初始化、操控和讀出;NV色心的基態(tài)電子自旋態(tài)可以通過光躍遷進行量子態(tài)的初始化和讀出，利用微波進行量子態(tài)的操控。

自旋量子相干時間長,長相干時間能夠保證較長的相干操控及光信號積累。

超高靈敏度與超高分辨率;由于NV色心的光學性質及其電子波函數特性，制備的單量子干涉儀測量磁場靈敏度可達10-9 T量級，NV色心系綜甚至達到了10-13 T量級，其磁場測量空間分辨率可達到亞納米。

可以在室溫大氣條件下運行，對于生物樣品有良好的兼容性。

具備高保真度量子自旋態(tài)調控技術，通過自主研發(fā)的50 ps時間精度脈沖發(fā)生器以及寬帶高功率微波調制器件，能夠實現對自旋低噪聲、高效、快速的量子相干操控。下文圖4為裝置拓撲圖，譜儀配套了高智能化控制與信號采集軟件，能夠實現自動光路調節(jié)、自動磁場調節(jié)以及長時間的無人值守自動測樣實驗。