Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register
保护耦合量子系统的动力学不受环境的影响是固态量子信息处理的关键挑战。一个空闲的量子比特可以通过动态解耦有效地与外界绝缘，正如最近对单个固态量子比特所证明的那样。然而，在多量子比特门期间保护量子比特相干性提出了一个重要的问题：一般来说，解耦破坏了量子比特间的动态特性，因此与门操作冲突。这个问题在混合系统中尤为突出，其中不同类型的量子比特以截然不同的速率演化和退相干。在这里，我们提出了集成的动态解耦到量子门的一个范例的混合系统，电子核自旋寄存器。我们的设计利用耦合自旋系统中的内共振来解决门操作和解耦之间的冲突。我们实验证明，这些门在室温下工作的两个量子位寄存器的钻石。量子断层扫描显示，门操作中涉及的量子位与空闲量子位一样受到精确保护。我们通过执行Grover的量子搜索算法进一步说明了我们的设计的力量，即使执行时间超过电子自旋退相时间两个数量级，也能实现90%以上的准确性。我们的研究结果直接使不同类型的有前途的固态量子位之间的退相干保护接口门。最终，具有集成去耦的量子门可以使得能够达到利用固态器件的容错量子信息处理的精度阈值。
2012-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Phenomenological Study of Decoherence in Solid-State Spin Qubits due to Nuclear Spin Diffusion
我们提出了一个研究的前景，在固态自旋量子比特的相干性保持使用动态解耦协议。最近的实验提供了在这个量子比特系统中的多脉冲动态解耦序列的第一个演示，但由于缺乏相关噪声过程的具体知识，对潜在相干性改善的定量分析受到阻碍。基于实验验证的半经典模型，我们模拟了任意动态解耦脉冲序列下的量子比特相干性。这种现象学方法将潜在噪声过程的细节捆绑到一个实验相关的噪声功率谱密度中。我们的研究结果表明，在一个两电子单重态-三重态自旋量子比特的实验测量的主要特征可以复制使用$1/ω^{2}$噪声功率谱与核自旋翻转的主机材料。从这个验证开始，我们解决了核编程，高频核自旋动力学和其他高频经典噪声源的影响，与物理参数和微观计算支持的aptures在相关的。我们的研究结果提供了预期的性能界限，并确定诊断指标，可以通过实验测量，以更好地阐明潜在的核自旋动力学。
2011-01-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dynamical decoupling of interacting dipolar spin ensembles
我们证明，CPMG和XYXY去耦序列与非理想的$π$脉冲可以减少偶极之间的相互作用的自旋相同的物种在固体。脉冲电子自旋共振（ESR）实验的模拟结果表明，具有小缺陷（$<$ ~10\%）的$π$转动会使瞬时扩散重聚焦.在这里，棘手的N体问题的相互作用偶极子近似的平均演变的一个单一的自旋在一个不断变化的平均场。这些计算与实验吻合得很好，并且不需要强大的硬件。我们的结果增加了过去试图解释类似的现象，在固态核磁共振（NMR）。虽然NMR的基本物理学与ESR相似，但ESR中更大的线宽和与核自旋相比电子自旋之间更强的偶极相互作用排除了仅从NMR研究中得出结论。对于散装自旋，我们还发现，使用XYXY的结果在推导出的回波衰减时间的通货膨胀较少相比，与CPMG获得的衰变。
2018-07-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Bistable Transport Properties of a Quasi-One-Dimensional Wigner Solid on Liquid Helium under Continuous Driving
研究了准一维维格纳固体在液氦衬底上运动时输运特性的低频涨落。波动发生在不同的传输模式之间，其中WS从氦表面上形成的波纹极化子（或“凹坑晶格”，DL）的去耦，或不发生在每个交流周期。我们表明，高斯分布的解耦阈值力引起这种双稳态，低频开关时发生的解耦的概率在每个交流周期是小的，但有限的。我们将退耦阈值力的分布归因于准一维电子晶格所允许的结构配置的范围，这影响了WS-DL耦合的强度。因此，交流传输模式之间的切换速率对电子固体的微观性质非常敏感。
2017-08-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Dynamical decoupling in interacting systems: applications to signal-enhanced hyperpolarized readout
保持相干性的方法广泛地影响所有量子信息处理和计量应用。动态解耦方法通过在噪声环境中保护量子位来实现这一点，但通常被限制在量子位本身不相互作用的极限。在这里，我们考虑替代制度，其中的量子位间的耦合是相同的顺序与环境的退相相互作用。我们提出并证明了一个多脉冲协议，通过适当的哈密顿工程的自旋间耦合，同时抑制退相噪声的量子位，保护横向自旋态。我们基准的方法13 C核自旋量子位在钻石，偶极耦合到彼此和嵌入在一个嘈杂的电子自旋浴，并通过光泵NV中心超极化。我们观察到13 C原子核$T_2^{\prime}\approx$在室温下的有效态寿命为2.5s，比传统的$T_2^{\ast}$自由感应衰变延长了4700倍以上。在施加的量子控制期间，自旋被连续询问，导致13 C NMR谱线变窄，并且由于寿命延长，SNR提高了$>$ 500倍。与超极化一起，自旋询问被$>10^{11}$加速超过常规的7T NMR。这项工作提出了在各种实验平台上应用的耦合量子比特系统的动态解耦策略。
2020-08-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Identifying and decoupling many-body interactions in spin ensembles in diamond
我们模拟了固态系统中变密度准二维自旋系综的动力学，重点是金刚石中的氮空位中心。我们认为，在一个现实的“自旋浴”的环境下，各种控制序列的平均动态的大合奏的自旋。我们发现，自旋锁定是有效的去耦自旋初始化沿驱动轴，无论是从相干偶极相互作用和外部自旋浴环境，当驱动是两个数量级强于相关的耦合能量。由于标准脉冲动态去耦序列的应用导致与环境的强去耦，而其他专门的脉冲序列可以去耦相干偶极相互作用，这样的序列可以用于识别主要的相互作用类型。此外，脉冲去耦序列的适当组合可以导致两种相互作用类型的抑制，从而允许额外的自旋操纵。最后，我们考虑这些控制协议上的有限宽度脉冲的效果，并确定提高去耦效率与脉冲持续时间的增加，从而从移相和相干动态的相互作用。
2018-09-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust dynamical decoupling for quantum computing and quantum memory
动态去耦（DD）是一种用于保护量子位不受环境影响的流行技术。然而，除非特别小心，在这种技术中使用的控制脉冲的实验误差可以破坏的量子信息，而不是保存it.Here，我们调查的技术，使DD序列对不同类型的实验误差鲁棒性，同时保持良好的去耦效率在波动的环境。我们给出了固态核自旋量子比特的实验数据，并介绍了一种新的适合于量子计算和量子存储的DD序列。
2011-06-17 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Environmental noise spectroscopy with qubits subjected to dynamical decoupling
由于经典高斯噪声而受到纯退相的量子比特可以通过利用其在适当选择的动态解耦（DD）序列下的读出来重建噪声的功率谱密度而变成这种噪声的光谱仪。我们回顾了这种基于DD的噪声光谱技术背后的理论，特别注意当环境噪声是非高斯和/或它具有真正的量子特性时出现的问题。虽然我们专注于该方法的理论基础，但我们将讨论的概念与具体实验联系起来，并概述了与基于固态的量子位相关的环境噪声模型，包括基于量子点的自旋量子位，超导量子位和金刚石中的NV中心。
2017-05-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Stick-Slip Motion of the Wigner Solid on Liquid Helium
我们提出了时间分辨的时间输运测量的维格纳固体（WS）的液体氦表面限制在一个微米尺度的通道。静止时，WS被一团量子化的毛细波（ripplons）“装扮”。在驱动力的作用下，我们发现，重复的WS-ripplon去耦导致粘滑电流振荡，其频率可以通过调节温度，压电场，或电子密度来调谐。液态He上的WS是研究类极化子解耦动力学的一个很有前途的系统。
2016-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Quantum Metrology with Strongly Interacting Spin Systems
量子精密测量利用相干叠加来检测微弱信号。虽然原则上可以通过增加感测颗粒的密度来提高灵敏度，但在实践中，这种提高受到它们之间的相互作用的严重阻碍。利用金刚石中相互作用的电子自旋的密集系综，我们展示了一种新的量子精密测量方法。它基于一种新的稳健量子控制方法，使我们能够同时消除与自旋-自旋相互作用、无序和控制缺陷相关的不期望效应，与传统控制序列相比，相干时间提高了五倍。结合最佳的初始化和读出协议，这使我们能够打破交流磁场传感施加的相互作用的限制，开辟了一个有前途的途径，为发展的固态合奏磁强计前所未有的灵敏度。
2019-12-15 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas
Optimal pulse spacing for dynamical decoupling in the presence of a purely-dephasing spin-bath
保持量子相干性是量子计算的关键要求，因此保护量子系统免受环境噪声的不可逆破坏是一个重要的开放问题。动态解耦（DD）是一种以较低的控制开销来减小退相干的有效方法。它在量子精密测量中也起着重要的作用，例如它被用于多参数估计。虽然等距控制脉冲序列（CPMG）已普遍用于去耦，但Uhrig最近提出，非等距脉冲序列（UDD）可以增强DD性能，特别是对于环境的频谱密度具有尖锐频率截止的系统。另一方面，对于软截止，等距序列优于UDD。UDD为中间制度提供的相对优势尚不清楚。在本文中，我们分析了相对DD性能在这个制度的实验，使用固态核磁共振。我们的系统量子比特是13 C核自旋，环境由1H核自旋浴组成，其光谱密度接近正态（高斯）分布。我们发现，在这样的浴的存在下，CPMG序列优于UDD序列。光学中的动态解耦和干涉效应之间的类比提供了一个直观的解释，为什么CPMG序列在存在这种环境噪声的情况下优于任何非等距DD序列。
2011-02-23 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Solid-state circuit for spin entanglement generation and purification
我们展示了如何现实的电荷操纵和测量技术，结合交换相互作用，允许强大的生成和纯化的四粒子自旋纠缠态的电控半导体量子点。所产生的状态免疫的主要来源的噪声通过一个动态的消相干自由子空间，所有额外的错误被纠正的纯化协议。这种方法可以在量子计算、通信和计量学中找到应用。
2005-03-24 cond-mat.mes-hall
Dynamical decoupling design for identifying weakly coupled nuclear spins in a bath
识别单电子自旋周围的弱耦合核自旋是利用耦合电子-核自旋系统实现量子信息处理或利用金刚石缺陷自旋进行单自旋核磁共振探测等传感的关键步骤。利用周期性脉冲序列对中心电子自旋的动态解耦控制[例如，Carre-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列]已成功地用于识别单个核自旋和解析核自旋团簇的结构。在这里，我们设计了一种新型的脉冲序列，通过用一组非均匀间隔的$π$ -脉冲替换CPMG序列的重复单元（单个$π$-脉冲）。利用金刚石中的氮空位中心系统，我们表明，设计的脉冲序列提高了核自旋噪声谱的分辨率，并提取了更多的关于周围核自旋的信息。本文提出的动态解耦设计原理在许多系统中是有用的（例如，固体中的缺陷自旋量子位、俘获离子和超导量子位）用于高分辨率噪声光谱。
2014-02-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Precise high-fidelity electron-nuclear spin entangling gates in NV centers via hybrid dynamical decoupling sequences
固体中的色心，如金刚石中的氮空位中心，提供了受到良好保护和良好控制的局部电子自旋，可用于各种量子技术。此外，周围自旋核的长相干时间可以通过色心控制鲁棒的量子寄存器。我们设计了脉冲序列协议，驱动电子自旋产生强大的纠缠门与这些核记忆量子位。我们发现，相比单独使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG），Uhrig去耦序列和CPMG和Uhrig序列组成的混合协议提高了这些纠缠门的保真度，自旋控制范围和自旋选择性。我们提供的序列协议的解析表达式，也显示了我们的方法在金刚石中的氮空位中心的数值效果。我们的结果广泛适用于色心弱耦合到一个小数目的核自旋量子比特。
2020-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Protecting a solid-state spin from decoherence using dressed spin states
修饰自旋态，一种与连续辐射场耦合的自旋，可以从根本上改变自旋对磁涨落的响应。利用修饰自旋态，我们能够保护金刚石中的电子自旋不受退相干的影响。在1 MHz附近的耦合速率下，用共振微波装扮自旋导致自旋跃迁的线宽减少50倍，受限于渡越时间加宽。利用光学相干布居俘获过程研究了自旋退相干和修饰态的能级结构。与动态退耦合（其中浴的影响在特定时间被平均化）相比，修饰状态提供了持续的退相干保护。
2014-09-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solid-state electronic spin coherence time approaching one second
固态电子自旋系统，例如金刚石中的氮空位（NV）色心，在量子信息、传感和计量学方面有着广阔的应用前景。然而，这种固态系统的一个关键挑战是实现比量子自旋操纵协议的时间长得多的自旋相干时间。在这里，我们证明了超过两个数量级的改善，在自旋相干时间（$T_2$）的NV中心相比，以前的测量：$T_2 \approx 0.5$ s在77 K，这使得$\sim 10^7$相干NV自旋操作之前退相干。我们采用动态去耦脉冲序列来抑制由于磁噪声引起的NV自旋退相干，并发现在很宽的温度范围内，$T_2$仅限于纵向自旋弛豫时间（$T_1$）的大约一半，这归因于声子诱导的退相干。我们的结果适用于NV自旋的集合，并且不依赖于特定NV的最佳选择，这可以推进量子传感，使压缩和多体纠缠在固态自旋集合中，并打开一条路径来模拟大范围的驱动，相互作用主导的量子多体哈密顿量。
2012-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Readout of a solid state spin ensemble at the projection noise limit
rd Institute of Physics, University of Stuttgart（斯图加特大学第三物理研究所）；Max Planck Institute for Solid State Research（马克斯·普朗克固体研究所）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF)（弗劳恩霍夫应用固态物理研究所）
研究通过直接量子非破坏性读取固态氮空位中心集体，超越光子shot噪声极限，接近固有自旋投影噪声，实现自旋集体内在波动的直接观测，为固态量子传感器提供实用工具。
2025-09-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Detection of the phase shift of an alternating-current magnetic field by quantum sensing with multiple-pulse decoupling sequences
利用固态自旋量子位的磁性测量具有高灵敏度。特别地，可以利用金刚石中的氮空位（NV）中心的电子自旋态来实现具有高空间分辨率的磁传感器。在这项研究中，我们证明了基于多脉冲去耦序列的NV量子传感不仅可以灵敏地测量交流（AC）磁场的幅度，而且还可以测量相移。在基于解耦序列的交流磁场测量中，当序列中的$π$脉冲周期与磁场的半周期相匹配，且序列与磁场的相对相位差为零时，通常可以获得由交流磁场引起的NV自旋的最大相位累积。相反，如果相对相位差是$π/2$，则NV量子传感器不获取相位累积。因此，这种相位累积条件对于磁力测定没有任何优势。然而，我们发现，非相位积累条件是可用于检测一个非常小的相移的交流领域从其初始相位。这一发现有望为实现微米和纳米尺度复杂交流磁场的灵敏测量提供指导。
2018-08-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effect of pulse error accumulation on dynamical decoupling of the electron spins of phosphorus donors in silicon
动力学退耦（DD）是保持固态自旋系统量子相干性的有效工具。然而，实际脉冲的不完美性会破坏长DD序列的性能。利用硅中磷施主的电子自旋作为测试系统，研究了DD中不同脉冲误差的积累和补偿。本文研究了基于自旋绕两个垂直轴旋转的周期DD序列（PDD）及其级联和对称化形式。我们发现，脉冲误差可能会迅速破坏一些自旋状态，但保持其他国家的高保真度在很长一段时间。由于脉冲误差的累积，基于围绕$x$和$y$轴的自旋旋转的脉冲序列优于基于$x$和$z$轴的脉冲序列。级联提供了一种有效的方式来抑制脉冲误差的影响，并且可以保持所有自旋分量的高保真度：尽管脉冲数量呈指数级增加，但脉冲误差不会随着级联水平的增加而累积（到一阶）。我们的理论模型给出了一个清晰的定性图片的误差积累，并产生与实验定量一致的结果。
2012-01-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electronic Noise Considerations for Designing Integrated Solid-State Quantum Memories
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
针对量子网络扩展中存储节点紧凑型控制电子设备的设计需求，以金刚石氮空位（NV）中心为案例，建模并实验验证控制系统相位噪声、时序抖动与自旋量子比特环境噪声的协同影响，提出确定集成量子控制信号发生器设计要求的流程。
2024-12-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-lattice relaxation of individual solid-state spins
理解振动对单个自旋弛豫过程的影响对于实现用于量子信息和量子精密测量应用的纳米系统是至关重要的。在这项工作中，我们提出了一个理论微观模型来描述与金刚石中带负电荷的氮空位中心相关的单个电子自旋的自旋-晶格弛豫，尽管我们的结果可以扩展到其他自旋-玻色子系统。从一般的自旋-晶格相互作用哈密顿量出发，详细描述了电子自旋为1的系统在热平衡下与声子池耦合时的量子主方程，并给出了其解.特别注意的是给1 K以下的单声子过程的动力学，我们的结果与最近的实验结果一致，并分析描述的温度和磁场标度。在较高的温度下，在相互作用哈密顿量的线性和二阶项被认为是和温度标度讨论声学和准本地化的声子在适当的时候。我们的研究结果，除了确认一个$T^5$温度依赖性的纵向弛豫速率在较高的温度下，在协议与实验观察，提供了一个理论背景，在很宽的温度范围内，不同的温度标度可能会预期的自旋晶格弛豫建模。
2017-11-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale fluorescence lifetime imaging with a single diamond NV center
固态量子发射体，例如人工工程量子点或固体中天然存在的缺陷，正在被研究用于从量子信息科学和光电子学到生物医学成像的应用。最近，这些相同的系统也从纳米计量学的角度进行了研究。在这封信中，我们研究的近场光学性质的金刚石晶体托管一个单一的氮空位中心。我们发现氮空位中心是周围电磁模式结构的灵敏探针。我们利用这种敏感性，以证明纳米级荧光寿命成像显微镜（FLIM）与一个单一的氮空位中心成像的光学天线的局部态密度。
2013-03-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
A 10-qubit solid-state spin register with quantum memory up to one minute
与固体中的单个缺陷相关联的自旋为量子信息处理和量子网络提供了有希望的量子比特。最近的实验已经证明了长相干时间，高保真操作和长距离纠缠。然而，到目前为止，控制仅限于几个量子比特，演示了三个自旋的纠缠态。由于需要避免串扰并保护整个寄存器的相干性的量子门，实现更大的多量子位寄存器是具有挑战性的。在本文中，我们提出了新的退相干保护门相结合的选择性相位控制驱动的核自旋的电子自旋的动态去耦。我们使用这些门来实现一个10量子比特的量子寄存器，包括一个氮空位中心的电子自旋和9个金刚石核自旋。通过在所有45个可能的量子比特对之间产生纠缠，我们证明了寄存器是完全连接的，并实现了真正的多体纠缠态，最多可达7个量子比特。最后，我们研究寄存器作为一个多量子位存储器。我们展示了高达63（2）秒的相干时间-单个固态量子比特的最长报告-并证明两个量子比特纠缠态可以存储超过10秒。我们的研究结果使得能够控制具有长相干时间的大型量子寄存器，因此为先进的量子算法和具有固态自旋量子位的量子网络打开了大门。
2019-05-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Decoherence imaging of spin ensembles using a scanning single-electron spin in diamond
金刚石中的氮空位（NV）缺陷中心已经证明了在静态和周期性调制目标场的纳米级磁传感和成像的巨大能力。然而，检测和成像随机波动的磁场仍然是一个挑战。最近的理论和数值计算工作概述了探测方案，利用探测器自旋退相干的变化作为波动场的敏感措施。在这里，我们实验监测退相干的扫描NV中心，以图像的波动磁场从顺磁性杂质在下面的金刚石表面。我们检测到的信号对应于大约800 $μ_B$在2秒的积分时间，没有任何控制的目标自旋，并获得磁场的光谱信息，使用动态解耦技术。所提取的表面顺磁杂质的空间和时间特性提供了对延长用于量子信息和计量应用的近表面量子比特的相干性的洞察。
2014-09-18 cond-mat.mes-hall
