《室溫單電子自旋量子態操縱和檢測的實驗研究》是依託中國科學技術大學，由杜江峰擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：室溫單電子自旋量子態操縱和檢測的實驗研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：杜江峰
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
基於摻雜金剛石中氮-空穴（N-V）對的單自旋檢測和調控的相關研究緊扣國家量子信息科學和社會發展的重大需要，同時是當前國際量子信息領域的熱點和難點。此實驗體系室溫下退相干時間長（1.8毫秒）、可在室溫下實現單電子自旋量子態調控和檢測。當前國際上對此方向的研究才剛剛起步，本項目擬抓住這個極佳的機會，對基於N-V體系的單電子自旋量子態開展系統深入的理論和實驗研究。首先、搭建高解析度的共聚焦顯微系統，在現有樣品上，尋找合適的N-V色心作為單電子自旋的載體，實現單電子自旋檢測。並通過雷射泵浦和外加可調微波場的手段，實現單電子自旋量子態的製備和操縱。其次、開發N-V色心近鄰次近鄰位置上的13C資源，利用N-V色心的單電子自旋和13C的核自旋耦合體系，同時加微波和射頻場，製備此耦合體系的量子態。以單電子自旋為媒介，間接實現單核自旋的讀出，從而實現耦合量子態的探測。實現相干操縱，深入研究此體系的可擴展性。
結題摘要
本項目開展基於金剛石氮-空穴缺陷中心（NV色心）單電子自旋量子態的操縱和檢測的研究。經過四年的努力，項目已順利圓滿完成，在單自旋實驗平台建設、樣品製備、單自旋操縱和探測技術等方面均取得了重要的進展，在基於NV色心的量子計算、量子計量等前沿研究上取得了世界先進水平的研究成果。目前項目已發表研究論文18篇，其中包括Science 2篇、Nature 1篇、Nat. Phys. 1篇、Nat. Commun. 4篇和PRL 5篇。代表性科研成果包括： （1）在單自旋量子態的退相干行為及機制研究方面，我們首次在實驗上觀測到室溫下單電子反常退相干效應（Nat. Commun. 2, 570 (2011)），實驗實現了調製熱庫行為在經典和量子兩種機制間轉換（Phys. Rev. Lett. 108, 200402 (2012)）； （2）在單自旋量子態的高精度量子操控研究方面，我們實驗實現了基於動力學解耦的高保真度量子邏輯門（Phys. Rev. Lett. 109, 070502 (2012)；Nat. Commun. 4, 2254 (2013)），實現了突破T2極限的抗噪聲量子邏輯門（Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)），Landau-Zener隧穿實現時域拉比振盪（Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)），實現固態體系中的首個量子糾錯實驗（Nature 506, 204 (2014)）； （3）在基於金剛石NV色心的量子計量研究方面，我們實現了(5 nm)3尺度有機樣品的微觀核磁共振（Science 339, 561 (2013)）和單核自旋靈敏度的探測（Nat. Commun. 5, 4703 (2014)）；實現了單核自旋對的探測及其原子尺度的結構分析（Nat. Phys. 10, 21 (2014)）；國際上首次獲取單個生物分子的順磁共振譜並解析出其動力學性質（Science, accepted (2015)）；實現高解析度矢量微波場探測（Nat. Commun., accepted (2015)）。
