Photorefractive tuning seeded by third-harmonic light in a diamond photonic crystal cavity
Institute for Quantum Science and Technology, University of Calgary（卡尔加里大学量子科学与技术研究所）；Department of Physics, University of Alberta（阿尔伯塔大学物理系）；National Research Council Canada, Quantum and Nanotechnology Research Centre（加拿大国家研究委员会量子与纳米技术研究中心）；nanoFAB Centre, University of Alberta（阿尔伯塔大学纳米加工中心）
本文展示了在金刚石纳米腔中通过三次谐波产生实现的光折变效应，实现了共振频率的确定性调谐，蓝移达20.2 GHz，并解释了该效应源于带电缺陷电场诱导的非零二阶非线性。
2026-05-29 physics.optics quant-ph
Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity
University of Calgary（卡尔加里大学）；University of Alberta（阿尔伯塔大学）；National Research Council of Canada（加拿大国家研究委员会）
本研究提出了一种基于钻石腔体的纳米光子磁计量平台，实现了高灵敏度和亚微米空间分辨率，为高精度磁测量和生物传感提供了新方法。
2026-10-08 physics.optics quant-ph
Low-temperature tapered-fiber probing of diamond NV ensembles coupled to GaP microcavities
在这项工作中，我们提出了一个平台，用于测试腔发射器系统的设备性能，使用的合奏发射器和锥形光纤。该方法提供了腔模式的高对比度光谱，耦合到腔的发射器的选择性检测，以及在单发射器情况下的器件性能的估计。利用金刚石中的氮空位（NV）中心和GaP光学微腔，我们能够在10 K下将腔调谐到NV共振，将腔耦合发射耦合到锥形光纤，并测量光纤耦合NV自发发射衰减。从理论上讲，我们表明，光纤耦合的平均珀塞尔因子是2-3倍大于自由空间收集，虽然由于合奏平均它仍然是一个因素的3小于一个单一的，理想的中心珀塞尔因子。
2011-02-25 physics.optics quant-ph
Single-crystal diamond low-dissipation cavity optomechanics
单晶金刚石腔光学机械设备是混合量子系统的一个很有前途的例子：通过将机械共振耦合到光和电子自旋，它们可以使光子控制固态量子比特的新方法成为可能。然而，从高质量的金刚石芯片实现腔光学机械器件一直是一个突出的挑战。在这里，我们展示了单晶金刚石腔光学机械设备，可以使光子-声子-自旋耦合。观察到腔光机械耦合到$2\,\text{GHz}$频率（$f_\text{m}$）机械共振。在室温环境条件下，这些共振具有低耗散（机械品质因数，$Q_\text{m} > 9000$）和高频率的记录组合，其中$Q_\text{m}\cdot f_\text{m} \sim 1.9\times10^{13}$足以实现室温单声子相干。该系统在红外和可见光波长处具有高的光学品质因数（$Q_\text{o} > 10^4$）共振，几乎是边带分辨的，并且具有光机械协同性$C\sim 3$。通过辐射压力激发的机械自振荡，其31 pm的振幅被预测为提供0.6 MHz的耦合率到金刚石氮空位中心基态跃迁（6 Hz /声子），和$\sim10^5$更强的耦合率到激发态跃迁的金刚石电子自旋的设备的光机械控制的潜力被证明。
2016-10-12 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Design of microcavities in diamond-based photonic crystals by Fourier- and real-space analysis of cavity fields
我们提出了一种适合于金刚石色心耦合的二维光子晶体微腔的设计方法。通过比较傅立叶空间和真实空间中的模拟场分布和理想场分布，并相应地修改空气孔的位置和尺寸，我们优化了腔结构，获得了高达Q = 320000的高品质因数，模态体积为V = 0.35（λ/n）^[3]。使用非常相同的方法，我们还改进了以前的设计的一个小的模式体积的硅微腔，获得一个因子3的腔Q。为了在人造金刚石薄膜中实现光子晶体，有必要研究材料吸收对品质因数的影响。我们表明，这种影响可以预测一个简单的模型，取代耗时的模拟。
2010-01-04 physics.gen-ph physics.optics quant-ph
Scanning cavity microscopy of a single-crystal diamond membrane
本研究通过扫描腔显微镜探究集成单晶金刚石薄膜的高精细度微腔，揭示金刚石表面对腔模结构及珀塞尔增强的影响，为优化自旋-光子接口提供路径。
2023-03-29 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Suppression of off-resonant cavity feeding through quasi-resonant pumping in a strongly coupled cavity-quantum dot system
比较了强耦合于光子晶体腔的砷化铟（InAs）量子点（QD）在上带激发（ABE）和准共振激发（QRE）下的光致发光谱。我们发现，非谐振腔馈电，这体现在一个裸腔发射峰在强耦合点，被抑制多达40% QRE下相对于ABE。我们将这种抑制归因于量子点充电的概率降低，因为电子和空穴在量子点内成对产生。我们调查的泵浦功率依赖的腔馈电，并表明，在饱和以下，裸腔发射极化激元发射ABE的比例是独立的泵浦功率，而QRE有线性泵浦功率依赖。这些结果表明，双激子在QRE的腔馈电中起着重要的作用。
2010-04-26 physics.optics quant-ph
Hybrid photonic crystal cavity and waveguide for coupling to diamond NV-centers
提出了一种超高Q值光子晶体纳米腔的设计，该腔可与单晶金刚石样品表面附近的氮空位（NV）中心相互作用。该结构基于纳米线光子晶体几何形状，并且由图案化的高折射率膜（诸如由金刚石衬底支撑的磷化镓（GaP））组成。该纳米腔支持品质因数Q > 150万且模体积V < 0.52（λ/n_ \text{GaP}）^[3]的模，并有望使珀塞尔增强对位于金刚石表面以下50 nm以上的NV的自发发射的收集。纳米线光子晶体波导可用于有效地将光耦合进腔和耦合出腔，或者作为NV声子边带发射的有效宽带收集器。所提出的结构可以使用现有的材料和加工技术制造。
2009-05-22 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Fiber-taper collected emission from NV centers in high-$Q/V$ diamond microdisks
本文研究光纤锥耦合高Q/V金刚石微盘中氮空位中心的腔增强发射，通过光致发光与相干光谱阐明腔模体积、品质因子和光纤耦合的贡献，测得可见光波段金刚石微腔最高Q值约10^5，并预测Purcell因子可达约50。
2023-10-06 physics.optics quant-ph
High-Q Cavity Interface for Color Centers in Thin Film Diamond
本研究在薄膜金刚石中实现了高品质因子光子晶体腔，Q值高达1.8x10^5，并通过简单高产的平面工艺制备，展示了与SiV色心的高效耦合，提升了量子节点的性能与可扩展性。
2024-02-08 physics.optics quant-ph
Cavity-enhanced room-temperature magnetometry using absorption by nitrogen-vacancy centers in diamond
我们提出了一种基于金刚石中氮空位中心的腔增强型室温磁场传感器。使用与1042 nm自旋单态跃迁共振的光的吸收来检测磁共振。将金刚石放置在外部光学腔中以增强吸收，即使在室温下也观察到显著的吸收。我们证明了磁场灵敏度为2.5 nT/sqrt（Hz），并且对于几mW的红外线，设计了70 pT/sqrt（Hz）的光子散粒噪声限制灵敏度，并且对于90 um x 90 um 200 um的感测体积，设计了250 fT/sqrt（Hz）的量子投影噪声限制灵敏度。
2014-01-10 quant-ph
Hybrid Integration of GaP Photonic Crystal Cavities with Silicon-Vacancy Centers in Diamond by Stamp-Transfer
本文提出利用印章转移技术将磷化镓光子晶体腔与金刚石中硅空位中心集成，避免了金刚石刻蚀，实现了高达8900的腔品质因子和单缺陷共振激发，为量子网络提供了强光子-缺陷相互作用平台。
2022-12-13 physics.optics quant-ph
Tunable cavity coupling of the zero phonon line of a nitrogen-vacancy defect in diamond
我们证明了在低温下金刚石中单个氮空位色心零声子线的可调增强。使用聚焦离子束铣削制造的开放腔提供小至1.24 $μ$ m $^3$的模体积。腔体谐振的原位调谐通过压电致动器实现。在最佳耦合的全开放腔的信号从个人零声子线跃迁增强了约10倍的NV $^-$中心的总发射率增加了40%，从相同的中心在没有腔场限制的情况下相比，测量。这一结果对于利用光寻址固态自旋量子比特实现高效的自旋光子接口和可扩展的量子计算具有重要意义。
2015-06-18 quant-ph
Strong Coupling Between P1 Diamond Impurity Centres and 3D Lumped Photonic Microwave Cavity
我们报道了一个独特的双柱凹腔，在金刚石中的N杂质（P1）中心和微波光子的合奏之间的强耦合。腔被设计成使得腔场的磁分量在空间上与电分量分离并且聚焦到安装金刚石样品的小体积中。该结构的新颖性同时允许高磁填充因子（38.4\%）和在低磁场下与金刚石中的过渡（例如NV $^{-}$和P1中心中的过渡）相互作用所需的低频率。耦合强度（或正常模式分裂）为51.42 MHz，实现与P1中心在6.18 GHz和220 mT的厘米级腔，与相应的协同因子为4.7。这种技术提供了一种替代的方式，具有一些显着的优点，耦合3D腔的过渡金刚石和实现应用程序所需的强耦合量子信息处理。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Cavity-assisted resonance fluorescence from a nitrogen-vacancy center in diamond
针对金刚石氮-空位中心相干光子发射占比低的问题，将其耦合到开放式光学微腔，实现相干发射速率超现有四倍，可大幅提升纠缠成功率并推动量子光学技术应用。
2024-03-07 physics.optics quant-ph
Cavity-enhanced single photon source based on the silicon vacancy center in diamond
单光子源是各种量子技术中不可或缺的一部分，室温下的固态量子发射器是一种很有前途的实现方式。我们将纳米金刚石中单个硅空位中心的荧光耦合到可调光学微腔中，以证明与本征发射器特性相比，单光子源具有高效率，增加的发射速率和改善的光谱纯度。我们使用一个基于光纤的微腔模式体积小$3.4~λ^3$和$1.9\times 10^4$的品质因数，并观察到有效的Purcell因子高达9.2。我们进一步研究修改的内部速率动力学，并提出一个速率模型，密切同意的测量。我们观察到寿命变化高达31%，这受到本文研究的发射体有限量子效率的限制。通过改进材料，我们获得的参数预测单光子速率超过1 GHz。
2017-03-03 physics.optics quant-ph
Cavity-enhanced Raman emission from a single color center in a solid
我们证明了腔增强拉曼发射从一个单一的原子缺陷在固体中。我们的平台是一个单一的硅空位中心的钻石耦合与单片钻石光子晶体腔。该腔能够实现拉曼发射的前所未有的频率调谐范围（100 GHz），其显著超过金刚石纳米结构中硅空位中心的光谱不均匀性。我们还表明，腔选择性地抑制声子诱导的自发发射，降低拉曼光子产生的效率。我们的研究结果为纳米光子平台中固态量子发射体之间的光子介导的多体相互作用铺平了道路。
2018-08-21 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
A Fabry-Perot Microcavity for Diamond-Based Photonics
开放的法布里-珀罗微腔代表了一个有前途的路线，实现量子电动力学（腔QED）平台与金刚石基发射器。特别地，它们提供了将高纯度、最少制造的材料引入到可调谐、高品质因数光学谐振器中的机会。在这里，我们展示了一个基于纤维的微腔，包含一个厚（> 10 μm）的金刚石膜，其精细度为17，000，对应于品质因数Q ~ $10^6$。这种最低限度制造的厚样品可以包含类似于块状金刚石中发现的光学稳定发射体。我们观察修改后的微腔光谱中存在的膜，并开发分析和数值模型来描述腔模式的膜的效果，包括损耗和耦合到高阶横模。我们估计，大约20的Purcell增强应该是可能的钻石在这个设备中的发射器，并提供证据表明，更好的钻石表面处理和镜面涂层可以增加这个值到200在一个现实的系统。
2015-08-26 physics.optics quant-ph
Continuous-wave nitrogen-vacancy diamond laser system assisted by a red diode laser
本文展示了首个连续波氮-空位色心激光系统，通过构建包含NV-金刚石介质和腔内减反射涂层二极管激光器的双介质激光腔来补偿固有损耗，实现了清晰的激光阈值和线宽变窄，为相干磁测量方法取得重大进展。
2023-06-24 physics.optics quant-ph
Multi-mode Jaynes-Cummings model results for the collapse and the revival of the quantum Rabi oscillations in a lossy resonant cavity
我们用数值方法得到了低平均相干光子数注入有耗谐振腔中二能级系统时量子拉比振荡的坍缩和恢复的理论结果。我们采用多模Jaynes-Cummings模型，特别处理了腔壁的欧姆损耗、腔泄漏和腔开口表面的自发发射损耗。我们已经将我们的结果与Brune等人[Phys. Rev. Lett. 76，1800（1996）]。
2022-10-08 physics.optics quant-ph
Laser threshold magnetometry using green light absorption by diamond nitrogen vacancies in an external cavity laser
金刚石中的氮空位（NV）中心最近吸引了相当大的兴趣用于量子传感，有望提高从物理学到生物医学的应用的灵敏度。传统的传感方案涉及在绿色激光和微波照射下监测来自NV中心的红色荧光的变化。由于来自NV三重态发射的强荧光背景和输出中任何变化的低相对对比度，灵敏度受到高光学散粒散粒噪声水平的严重限制。在这里，我们提出了一种避免这个问题的方法，通过使用通过金刚石的绿色泵浦吸收的变化作为半导体外腔激光器接近激射阈值运行的一部分。我们表明，理论上的灵敏度磁场的pT/sqrt（Hz）的水平上是可能的，使用具有最佳密度的NV中心的金刚石。我们讨论的物理要求和限制的方法，特别是放大的自发发射阈值附近的作用，并探讨现实的实现，使用当前的技术。
2021-01-22 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Nanoimplantation and Purcell enhancement of single NV centers in photonic crystal cavities in diamond
我们提出了一个控制创建的单氮空位（NV）中心通过离子注入的光子晶体腔的中心，这是在超纯，单晶金刚石膜制造。NV中心的高分辨率放置是通过原子力显微镜（AFM）的穿刺尖端使用5keV的氮离子束的准直来实现的。我们证明了注入NV中心的宽带荧光耦合到腔模，并观察到Purcell增强的自发发射。结果与主方程模型的腔耦合是一致的。
2015-03-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Coupling of a single NV-center in diamond to a fiber-based microcavity
我们报道了在室温下纳米金刚石中的单个氮空位（NV）中心与基于光纤的微腔的耦合。调查非常相同的NV中心内的腔和自由空间允许系统地探索一个新的制度的声子辅助腔馈电。利用NV中心的强展宽发射，我们实现了一个宽调谐的窄带单光子源。主方程模型很好地再现了我们的实验结果，并预测在低温下的Purcell增强的排放制度的过渡。
2013-06-13 physics.optics quant-ph
Hybrid nanocavities for resonant enhancement of color center emission in diamond
利用混合回音壁模式纳米腔，实验研究了单晶金刚石中金刚石氮空位（NV）中心零声子线的共振增强发射。直径900 nm的环形纳米腔由磷化镓形成，其侧壁延伸到金刚石衬底中，在低温下与注入金刚石表面附近的带负电荷的NV中心的零声子线调谐到共振。当纳米腔处于共振状态时，零声子线强度增强了大约一个数量级，NV的自发发射寿命减少了18%，对应于零光子线发射的6.3倍增强。
2011-05-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cavity quantum electrodynamics with color centers in diamond
可见光子和长寿命物质量子比特之间的相干界面形成了广泛的量子技术的关键资源。腔量子电动力学（cQED）提供了一种途径，以实现这样的界面，通过增强腔限制的光子和单个发射器之间的相互作用。在过去的二十年中，出现了一类基于金刚石缺陷中心的有前途的新型发射器，将长自旋相干时间与原子式光学跃迁相结合。最近，光学谐振器技术的进步使得在金刚石中实现cQED成为可能。本文综述了金刚石色心耦合到光学谐振腔的研究进展，重点介绍了与量子网络兼容的方法。我们考虑的挑战cQED与固态发射器和金刚石缺陷中心的相关属性之前，检查两个定性不同的谐振腔设计：微米级法布里-珀罗腔和金刚石纳米光子腔。对于每一种方法，我们都会研究其基本理论和制造方法，讨论其优势和突出的挑战，并突出最先进的实验。
2021-01-07 physics.app-ph quant-ph
A superconducting cavity bus for single Nitrogen Vacancy defect centres in diamond
电路QED已经证明了超导共面谐振器中捕获的单个微波光子与附近的超导量子比特之间的非常强的耦合。在这项工作中，我们将展示如何通过设计一种新型的互连，可以通过磁相互作用将超导谐振器与少量（也许是单个）电子自旋强连接起来。通过将电子自旋选择在金刚石中的氮空位中心内，可以使用微波和射频照射来执行该电子自旋的光学读出、极化和控制。更重要的是，通过利用氮空位中心与附近的13 C核，使用这种互连，人们有可能建立一个量子设备，其中核自旋量子位通过氮空位电子自旋通过超导总线相互作用连接在厘米距离上。
2009-12-18 quant-ph
Laser-cut Patterned, Micrometer-thin Diamond Membranes with Coherent Color Centers for Open Microcavities
本文提出一种激光切割方法，用于从毫米级金刚石薄膜制造微米厚微器件，与传统纳米加工相比性能相当，且器件中的色心适用于量子网络。
2025-06-25 physics.optics quant-ph
Realization of a resonant non-linear phase flip in cavity quantum electrodynamics
对单个光子敏感的光学非线性可以作为用于光子量子比特的量子逻辑电路中的元件而极其有用。一个经常被引用的例子是Turchette等人的工作[Phys.Rev.Lett. 75，4710（1995）]，其中报道了约10度的相移。为了改善这一结果，我们提出了一个单边腔的几何形状与最小的腔损耗。然后应该可以实现180度的非线性相移。
2002-09-27 physics.optics quant-ph
Design and Focused Ion Beam Fabrication of Single Crystal Diamond Nanobeam Cavities
我们提出了在单晶金刚石中设计和制备纳米束光子晶体腔，用于腔量子电动力学。首先，我们描述了一个高品质因数（Q ~ 10^6）和小模体积（V ~ 0.5（λ/n）^3）器件的三维时域有限差分模拟，该器件的腔共振对应于金刚石中氮空位色心的零声子跃迁（637 nm）。这种高Q/V结构，这将允许强的光-物质相互作用，是通过在纳米梁的缺陷中心和反射镜区域之间逐渐减小光子晶体孔的尺寸来实现的。接下来，我们展示了两种不同的聚焦离子束（FIB）制造策略，以产生薄金刚石膜和纳米束光子晶体谐振器从散装晶体。这些方法包括金刚石晶体的“侧磨”程序以及TEM样品制备中使用的“剥离”技术的应用。最后，我们讨论了FIB制造程序的某些方面，这是一个挑战，实现高Q/V设计。
2010-10-11 physics.optics quant-ph
Quantum microwave-optical interface with nitrogen-vacancy centers in diamond
提出了一种利用金刚石中的氮空位（NV）中心实现微波与可见光光子相干量子界面的有效方案。在该设置中，NV中心系综同时耦合到光学腔和微波腔。我们发现，通过使用集体自旋激发模式作为中介，量子态可以通过双交换方案或暗态协议在微波腔和光学腔之间转移。这种混合量子界面在单微波光子探测或量子信息处理中可能提供有趣的应用。
2017-09-14 quant-ph
Scaling laws of the cavity enhancement for nitrogen-vacancy centers in diamond
我们采用一个高精细度光纤微腔来研究纳米金刚石中氮空位中心声子边带荧光的增强。利用谐振器的完全可调谐性和开放访问，我们明确地证明了通过在很大范围内改变模式体积和品质因数的Purcell增强的标度律。虽然在发射寿命的变化保持在一个宽带发射器的制度小，我们观察到的发射光谱密度增加了高达300倍。这给出了可以用该谐振器和线宽比腔线宽窄的发射器实现的Purcell因子的直接测量。我们的研究结果表明，波长可调谐窄带单光子源的实现方法，并展示了一个系统，有可能达到强耦合制度。
2013-11-13 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Miniature cavity-enhanced diamond magnetometer
提出了一种基于金刚石中氮空位（NV）中心的高灵敏度小型化腔增强室温磁场传感器。通过探测1042 nm自旋单态跃迁的吸收来检测磁共振信号。为了提高吸收信号，将金刚石放置在光学谐振器中。该器件的磁场灵敏度为28 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，投影光子散粒噪声限制灵敏度为22 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，估计量子投影噪声限制灵敏度为0.43 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，传感体积为$\sim$ 390 $μ$ m $\times$ 4500 $μ$ m $^{2}$。所提出的小型化装置是用于生物医学应用的内窥镜磁场传感器的基础。
2017-06-07 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Mahaux-Weidenmüller approach to cavity quantum electrodynamics and complete resonant down-conversion of the single photon frequency
它表明，一个广泛的类腔量子电动力学（QED）的问题-考虑共振传播的单光子与量子发射体（QE），如原子，量子点，或空位中心相互作用-可以直接解决，而不应用第二量子化形式主义。在所发展的方法中，哈密顿量通过集体（光子+腔+QE）态的ket-bra积来表示。因此，输入-输出问题的S-矩阵由Mahaux-Weidenmüller公式精确确定，这大大简化了复杂腔QED系统的分析。首先，这种方法被说明的问题的传播的光子共振相互作用的N个二能级的QE任意分布在光学腔。这个问题的解决方案表明了先前已知的特殊情况下QE的累积作用的效果。量子效应的类似累积作用能增强单个光子的非弹性共振传输吗？我们解决了这个问题的情况下，光学腔有两个模式共振耦合到电子跃迁的N个三能级QE。结果表明，所描述的结构是最简单的现实结构，它使下转换的单光子频率的振幅接近统一的情况下的外部驱动场和足够小的腔损耗和QE耗散。总体而言，开发的方法的简单性和通用性提出了一个实用的方法来识别和描述腔QED中的新现象。
2019-07-08 physics.optics quant-ph
Off-resonant coupling between a single quantum dot and a nanobeam photonic crystal cavity
我们演示了单个量子点和纳米梁光子晶体腔之间的非共振耦合，在量子点或腔的共振激发下。这些结果是一致的非共振耦合作为一个非相干声子介导的过程与以前的描述。这种现象的扩展到纳米束光子晶体腔提出了有趣的可能性，通过定制的声子态密度的相干控制这种相互作用。
2011-10-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Generation of two-mode entanglement via atomic coherence created by non-resonant dressed-state transitions
在驱动光场作用下，由一个三能级原子和一个双模腔组成的原子-腔系统获得了双模压缩和纠缠。这里利用腔模与原子之间的非共振缀饰态跃迁来得到有效哈密顿量。
2012-10-22 physics.optics quant-ph
Spectral Compression of Narrowband Single Photons with a Resonant Cavity
我们实验证明了一个光谱压缩计划预示着单光子与窄光谱带宽约795 nm，通过四波混频产生的冷Rb-87原子云。该方案是基于一个非对称腔作为色散介质和一个简单的二元相位调制器，并可以，在原则上，没有任何光损耗。我们观察到从20.6 MHz到小于8 MHz的压缩，几乎匹配相应的原子跃迁。
2020-01-02 physics.optics quant-ph
Efficient 525nm laser generation in single or double resonant cavity
本文报道了基于周期极化磷酸钛氧钾晶体（PPKTP）的单谐振腔和双谐振腔对792和1556 nm波长光到525 nm波长光的高效和频产生的研究结果。通过优化腔$'$的参数，单腔和双腔的最大输出功率分别为263和373 mW。单腔和双腔的1556nm光子到525nm光子的量子转换效率分别为8%和77%。测量的两种结构的腔内单程转换效率约为5%。对这两种结构的和频产生性能进行了详细的研究和比较。这项工作将为优化和频产生的激光的各种配置的产生提供指导方针。本工作所获得的高转换效率将有助于为非经典量子态，如压缩真空态和单光子态的频率上转换铺平道路。所提出的绿色激光源将用于我们未来的实验中，其中包括产生双色纠缠光子对并实现携带轨道角动量的单光子的频率下转换的计划。
2017-10-13 physics.optics quant-ph
Amplification by stimulated emission of nitrogen vacancy centres in a diamond-loaded fibre cavity
Macquarie University（麦考瑞大学）；Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF)（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）；National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology（量子科学技术研究机构）；University of Tokyo（东京大学）；RMIT University（皇家墨尔本理工大学）
本文实验研究了金刚石填充光纤腔中NV-中心的受激发射放大，验证了其作为实现NV-激光器增益介质的可行性，为室温高灵敏磁强计的发展提供了关键依据。
2026-09-22 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Design of flexible ultrahigh-Q microcavities in diamond-based photonic crystal slabs
通过改变金刚石的折射率，我们设计了具有极高柔性的超高Q值金刚石基双异质结构光子晶体平板腔。具有$Q ~ 10^7$的超高Q腔所需的折射率变化完全在可以实现的范围内（$Δn \sim 0.02$）。腔模具有相对小的体积$V<2 (λ/n)^3$，使其成为腔量子电动力学应用的理想选择。重要的是，对于现实的制造，我们的设计是灵活的，因为参数范围，腔长和折射率的变化，使超高Q值是相当广泛的。此外，由于折射率修改是后处理的，因此可以实现在缺陷中心周围产生空腔的有效技术，从而改善了缺陷容忍量子架构的前景。
2008-12-10 quant-ph
Rectangular Photonic Crystal Nanobeam Cavities in Bulk Diamond
我们演示了在金刚石块体中制备具有矩形截面的光子晶体纳米梁腔。在模拟中，这些腔具有超过100万的无载品质因数（Q）。测量的腔共振显示，在NV中心637 nm处的零声子线的1 nm范围内，光谱仪限制的品质因数大于14，000的基模。我们发现高腔产量在整个钻石芯片与确定性的谐振趋势，在整个制造的参数扫描。
2017-04-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.atom-ph
Coherent Interactions Between Silicon-Vacancy Centers in Diamond
我们报告相干相互作用内的硅空位色中心的钻石合奏。相互作用归因于共振偶极-偶极耦合。此外，我们证明了控制共振中心对通过使用驱动光脉冲诱导集体，相互作用使能拉比振荡的合奏。非共振中心对不经历集体振荡。
2021-05-03 physics.atom-ph quant-ph
Infrared laser magnetometry with a NV doped diamond intracavity etalon
我们提出了一种混合激光系统，它由半导体外腔激光器和腔内掺氮空位色心的金刚石标准具组成。我们认为激光发射调谐到红外吸收线，增强下的磁场依赖的氮空位电子自旋共振，并表明这种架构导致一个紧凑的固态磁强计，可以在室温下操作。由输出激光束的光子散粒噪声限制的对磁场的灵敏度被估计为大约$250~\mathrm{fT/\sqrt{Hz}}$。与通常的NV中心红外磁强计不同，这种方法不需要外部频率稳定的激光器。由于所提出的系统依赖于激光阈值和腔内吸收之间的竞争，这种基于激光的光学传感器可以容易地适应于各种各样的物理系统。
2018-10-18 physics.optics quant-ph
Superradiance from Nitrogen Vacancy Centers Coupled to An Ultranarrow Optical Cavity
本研究针对金刚石氮空位中心耦合超窄光学腔的集体辐射效应，构建更完善的理论模型解释聚束肩、Rabi劈裂等现象，为NV中心及其他固态色心实验提供指导。
2024-07-13 physics.optics quant-ph
Resonant versus non-resonant spin readout of a nitrogen-vacancy center in diamond under cryogenic conditions
本文研究低温下窄带共振激光激发对金刚石NV中心自旋读出的影响，实现了比非共振照明高四倍以上的灵敏度提升，并利用核自旋极化增强了磁测量性能，为低温凝聚态系统传感应用开辟了新途径。
2023-12-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cavity Quantum Electrodynamics Effects with Nitrogen Vacancy Center Spins in Diamond and Microwave Resonators at Room Temperature
在低温微波谐振腔中研究了金刚石中氮空位中心自旋的腔量子电动力学（C-QED）效应，如Rabi分裂、Rabi振荡和超辐射。在这篇文章中，我们探讨了在室温下实现强集体耦合的可能性以及由此产生的自旋系综C-QED效应。热环境对单个自旋的热激发导致具有低对称性和降低的集体自旋-微波场耦合的集体Dicke态的布居。然而，我们的模拟表明，热激发可以通过光学泵浦的自旋冷却补偿。由此产生的具有更高对称性的Dicke态的布居意味着与当前可用的高质量谐振器的强耦合，并且使室温下的C-QED效应在量子传感和量子信息处理中具有潜在的应用。
2021-10-21 physics.atom-ph quant-ph
A cavity-based optical antenna for color centers in diamond
有效的原子-光子界面是将诸如金刚石色心的固态发射体集成到量子技术应用中的关键要求。然而，就像其他固态发射器一样，由于主体晶体的高折射率，它们向自由空间的发射受到严重限制。在这项工作中，我们提出了一个平面光学天线的基础上，两个银镜涂在一个薄的单晶金刚石膜，形成一个平面法布里-珀罗腔，提高了光子提取从单个锡空位（SnV）中心，以及他们的耦合到激发激光。在数值优化的结构，我们发现理论上的增强可收集的光子率的一个因素为60相比，散装的情况下。作为一个证明的原理演示，我们制造的单晶金刚石膜与子$μ$ m的厚度和创建SnV中心的离子注入。采用非共振激发，我们显示了6倍的可收集的光子率增强，产生高达50万光子每秒从一个单一的SnV中心。与此同时，我们观察到根据理论所需的激发功率的显着降低，证明了腔作为光学天线的功能。由于其平面设计，天线同时为膜内的大量发射器提供类似的增强。此外，单片结构提供了高机械稳定性，并且直接使得能够在大多数自旋光子接口实现中所需的低温条件下操作。
2021-05-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Strongly Cavity-Enhanced Spontaneous Emission from Silicon-Vacancy Centers in Diamond
量子发射器是包括量子通信、量子中继器和线性光学量子计算在内的广泛量子技术的组成部分。固态色心具有长的相干时间和小的非均匀展宽，是可扩展量子光学的理想候选材料。然而，一旦被激发，色心通常通过声子辅助过程衰减，限制了单光子产生和光子介导的纠缠产生的效率。在这里，我们证明了强增强的自发发射率的一个单一的硅空位中心嵌入在一个单片光学腔中的金刚石，达到一个政权的激发态寿命占主导地位的自发发射到腔模式。我们观察到10倍的寿命减少和42倍的发射强度增强时，腔被调谐到共振与一个单一的硅空位中心的光学跃迁，对应于90%的激发态能量衰减发生通过自发发射腔模式。我们还证明了迄今为止最大的耦合强度（$g/2π=4.9\pm0.3 GHz$）和协同性（$C=1.4$）的色心为基础的腔量子电动力学系统，使系统更接近强耦合制度。
2017-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cavity Enhanced Spin Measurement of an NV Centre in Diamond
利用腔量子电动力学效应，提出了一种高效率、高保真度测量金刚石中单个NV中心基态自旋的方法。我们提出的方案是基于一维原子或Purcell制度，消除了需要高Q腔，是具有挑战性的制造。NV中心的基态由三个自旋能级$^{3}A_{(m=0)}$和$^{3}A_{(m=\pm1)}$组成（其中$\pm1$态在零场中接近简并）。这两种状态可以跃迁到激发态（$^{3}E$），两者之间的能量差为$\approx7-10$ $μ$ eV。通过选择正确的Q因子，两个跃迁之间的这种小失谐导致反射光强度的急剧变化。我们表明，在反射强度的变化，可以让我们读出的基态自旋使用低强度的激光与$\approx5.5\times10^{-3}$的错误率，当考虑实际的腔和实验参数。由于使用非常低水平的光来探测自旋状态，我们限制了荧光循环的数量，从而限制了通过中间单线态$^{1}A$的非自旋保持跃迁。
2008-07-01 quant-ph
A cavity-mediated quantum CPHASE gate between NV spin qubits in diamond
虽然长自旋相干时间和有效的单量子比特量子控制已经成功地在金刚石中的氮空位（NV）中心中实现，但远程NV自旋量子比特的受控耦合仍然具有挑战性。在这里，我们提出并分析了一个控制相位（CPHASE）门的两个NV中心的自旋嵌入在一个共同的光学腔和两个非共振激光器驱动。结合先前演示的单量子比特门，CPHASE允许任意量子计算。NV自旋到腔模的耦合基于经由NV激发态的拉曼跃迁，并且可以用激光强度和相对相位来控制。我们发现特征激光频率，在该频率下，激光光子进入腔模的散射振幅强烈依赖于NV中心自旋。散射光子可以被另一个选择性驱动的NV中心重吸收，并产生条件相位（CPHASE）门。200 ns左右的门控时间是可以实现的，比典型的NV自旋相干时间（约10微秒）短近三个数量级。两个相互作用的NV中心之间的分离仅受腔的延伸的限制。
2017-03-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cavity-Enhanced Emission and Absorption of Color Centers in a Diamond Membrane With Selectable Strain
本文通过在单晶金刚石薄膜中引入诱导应变，将硅空位中心的基态分裂提升最多一个数量级，并结合Fabry-Perot微腔实现腔辅助光谱学，使该系统在4K温度下成为极具前景的自旋-光子界面。
2024-05-30 quant-ph
Competition between contrast and laser noise in laser threshold magnetometry using an external cavity diode laser
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；The University of Melbourne（墨尔本大学）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）；National Institutes for Quantum Science and Technology: QST（量子科学技术研究院）；Tohoku University（东北大学）；Adelaide University（阿德莱德大学）；MOGLabs
本文提出一种紧凑且机械稳定的NV-钻石单重红外吸收磁度计平台，通过近阈值操作实现五倍的ODMR对比度增强，但同时也面临探测激光噪声增加的挑战。
2026-11-04 quant-ph
Hybrid quantum device based on NV centers in diamond nanomechanical resonators plus superconducting waveguide cavities
我们提出并分析了一种混合器件，它是将一个具有单个内建氮空位（NV）中心自旋的微尺度金刚石梁集成到超导共面波导（CPW）腔中。我们发现在交流电场作用下，金刚石光束的量子化运动可以通过介质相互作用与单腔光子发生强耦合。与经由大磁场梯度的强自旋-运动相互作用一起，它提供了一种混合量子器件，其中金刚石谐振器可以强耦合到单个微波腔光子和单个NV中心自旋。这使得通过机械暗极化激元的NV自旋和CPW腔之间的相干信息传输和有效耦合成为可能。这种混合自旋机电装置，与外部场的可调谐耦合，提供了一个现实的平台，实现量子信息与单NV自旋，金刚石机械谐振器，和单微波光子。
2015-09-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Quantum Repeater Platform based on Single SiV$^-$ Centers in Diamond with Cavity-Assisted, All-Optical Spin Access and Fast Coherent Driving
量子密钥分发使得能够基于量子力学的原理进行安全通信。由于信号衰减，基于光纤的量子通信的距离被限制在一百公里左右。因此，需要量子中继器来建立大规模的量子网络。理想的量子中继器节点拥有一个量子存储器，它有效地连接到光子，量子信息的载体。金刚石中的色心，特别是带负电荷的硅空位中心是建立这种节点的有希望的候选者。主要的障碍是色心自旋与光纤网络的高斯光学之间的低效连接。在这里，我们提出了一个有效的自旋光子接口。个别硅空位中心耦合到一个半球形的法布里-珀罗微腔模式显示珀塞尔因子大于1时，在液氦浴操作。我们演示了相干光驱动的拉比频率为$290\,\mathrm{MHz}$和全光访问的电子自旋在强磁场高达$3.2\,\mathrm{T}$。在$67\,\mathrm{ns}$内的自旋初始化具有$80\,\%$的保真度和$350\,\mathrm{ns}$的寿命，在腔内达到。自旋-光子界面是被动稳定的，通过将包含纳米金刚石的色心放置在半球形法布里-珀罗镜结构中并通过选择短腔长来实现。因此，我们的演示为实现量子中继器应用开辟了道路。
2022-10-28 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Linewidth broadening of a quantum dot coupled to an off-resonant cavity
研究了光子晶体腔和非共振量子点在腔或量子点共振激发下的耦合。测量量子点和腔的线宽作为激发激光功率的函数。我们表明，通过观察腔发射测量的量子点的线宽，是显着加宽的理论估计相比。这表明在量子点和腔之间存在额外的非相干耦合。
2010-03-11 quant-ph
