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行业资讯|金刚石NV色心体系量子模拟研究新进展

点击次数:106 发布时间:2020-08-18

近日,中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人与理论合作者北京大学刘雄军等合作,在金刚石氮-空位(NV)色心体系的量子模拟实验研究方面取得新进展。他们利用量子淬火动力学在实验上模拟了凝聚态体系中尚未观测到的三维手性拓扑绝缘体,并对体内和表面的拓扑物理进行了全面的实验研究。该研究成果以"Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator"为题,发表在近期的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。

凝聚态体系中拓扑物相的发现革新了对量子物质基本相认识,相关研究成为凝聚态物理的主流研究方向。拓扑材料的基本特性是在体内具有非平凡拓扑,边界则出现和体拓扑相对应的边界态。在过去的十多年里,人们在寻找新奇拓扑物质方面取得了大量突破,发现了诸多新的拓扑相,如量子霍尔效应、对称保护的拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等。尽管如此,在理论预言的众多拓扑相中,目前仍只有很小的一部分在凝聚态实验中被观察到。量子模拟作为一种前沿的技术,可以超越真实体系所受的限制,为探索和研究各种奇异的量子物相提供了一种强有力的手段。诸多拓扑物理在各种量子模拟器上成功实现,包括二维Haldane模型、自旋轨道耦合下的量子反常霍尔效应最小模型、一维手性拓扑相和三维半金属等。通常量子模拟器上只能模拟拓扑体态或者边界态,但无法做到同时模拟体内和边界,进而准确研究体-边对应。

最近北京大学刘雄军教授组提出了平衡态拓扑物相的动力学表征理论 [Science Bull. 63, 1385 (2018)],可以在动量空间得到普适的体-面(能带反转面)对应,类同于拓扑相在实空间的体-边对应,为基于量子模拟研究拓扑物性提供了理论基础。随后,中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士和王亚教授等利用金刚石氮-空位缺陷自旋体系首先在二维拓扑体系上实验观测到了该动力学体-边对应关系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。

在该研究中,他们进一步将上述方法扩展到三维手性拓扑绝缘体这一尚未在凝聚态体系中观测到的拓扑相中。在金刚石NV色心量子模拟器上,调控三维手性拓扑绝缘体在动量空间中的哈密顿量,利用量子态的动力学演化来表征哈密顿量,从而实现拓扑物相的动力学表征。实验结果不仅进一步支持了理论方法在向高维拓扑体系拓展的适用性,也观察到了对称性对拓扑相的保护、拓扑荷图像、以及衍生拓扑转变等一系列物理现象,加深了动力学拓扑物相研究的理解,为更广泛的拓扑物相的研究打下了基础。

实验中使用的金刚石固态单自旋体系因其在室温下就易于初始化、操控和读出,是当前发展较为成熟的量子调控实验体系,在实现固态量子计算、量子模拟和量子精密测量等研究中具有很好的应用前景。中科院微观磁共振重点实验室研究团队一直致力于该体系的量子相干控制和应用研究,仅在量子模拟方向上就发表了多篇高水平研究论文[如Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016), Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)等]。

近年来,该团队深入发展金刚石色心样品备等底层关键技术,已掌握高纯金刚石样品的制备工艺,自主制备的NV色心在相干时间T2*与荧光计数关键物理性能上达到国ji先进水平。正是得益于自制样品的优越性能,以及团队在固态自旋量子态操控上的领xian技术,才使得本次量子模拟实验研究得以完成。未来通过进一步发展与提升金刚石单自旋样品的性能、调控技术和单次读出探测技术等,有望推进金刚石单自旋体系在量子信息领域产生更广泛的应用。

 

金刚石NV色心简述

金刚石NV色心是金刚石晶体中的一种缺陷,由一个取代碳原子的氮原子和相邻一个空位(碳原子缺失)组成。NV色心有六个电子,两个来自氮原子,三个来自与空位相邻的碳原子,另外一个是俘获的(来自施主杂质的)电子。金刚石NV色心是一种符合DiVincenzo标准的量子计算体系。金刚石NV色心一般存在两种电荷状态,一种是电中性NV0,另一种带一个负电荷NV-,量子计算中用到的体系一般为后一种。

NV色心的基态可以等效为自旋为1的电子自旋,其中的两个自旋能级可以用来编码量子比特。结合N(N的两种同位素14N和15N均具有核自旋)以及相邻的13C核自旋,每个NV色心可以看成由数个量子比特组成的量子寄存器。不同的NV色心可以通过磁或光子的方式耦合,从而形成用以量子计算的可扩展系统。通过12C同位素富集,NV色心中量子比特可具有长的相干时间。可以通过施加激光实现对NV色心电子自旋的初始化和读出,通过施加微波和射频脉冲实现量子逻辑门。目前NV色心自旋体系的单比特量子逻辑门的保真度可达99.995 %,两比特量子逻辑门的保真度可达99.2 %。

金刚石中氮空位(NV)色心的四个可能方向。碳原子以黑色表示,氮原子以蓝色表示,空位(V)以白色表示。NV电子旋转由红色箭头指示。

 

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量子钻石单自旋谱仪在谱学分析和结构解析等应用中具有独到优势,可实现单蛋白等单分子电子顺磁共振,纳米尺度核磁共振,活体细胞温度、磁场、动作电位探测等。

 

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