Scalable Focused Ion Beam Creation of Nearly Lifetime-Limited Single Quantum Emitters in Diamond Nanostructures
缺陷中心-纳米腔系统的受控创建是有效地将自旋量子存储器与光子接口用于量子网络中基于光子的纠缠操作的突出挑战之一。在这里，我们展示了直接的，无掩模创建原子状的单硅空位（SiV）中心的金刚石纳米结构通过聚焦离子束注入与$\sim 32$ nm的横向精度和$< 50$ nm的定位精度相对于纳米腔。此外，我们确定了Si+离子到SiV中心的转化产率到$\sim 2.5\%$，并观察到通过额外的电子照射的10倍的转化产率增加。我们提取不均匀加宽的系综发射线宽的$\sim 51$ GHz，接近寿命限制的单发射极过渡线宽下降到$126 \pm13$ MHz对应于$\sim 1.4$倍的自然线宽。这种光学相干固态单量子系统的确定性创建的演示是朝着可扩展量子光学器件的发展迈出的重要一步。
2016-10-29 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Spin-Phonon-Photon Strong Coupling in a Piezomechanical Nanocavity
我们引入了一个半导体自旋、机械声子和微波光子之间强耦合的混合三重量子系统。该系统由具有集成金刚石应变集中器的压电谐振器组成，实现了微波-声学和自旋-声学耦合速率$\sim$ MHz或更高，允许同时超高协同性（分别为$\sim 10^3$和$\sim 10^2$）。从有限元建模和主方程模拟，我们估计光子自旋量子态转移的结晶度超过0.97的基础上，分别证明了设备参数。我们预计，该设备将实现混合量子架构，利用超导电路和固态自旋的优势进行信息处理，存储和网络。
2022-05-03 quant-ph
Phase-covariant cloning via adiabatic passage in fiber-nanocavity system
提出了一种在光纤-纳米腔系统中通过绝热通道实现两个量子比特间远程量子态相位协变克隆的有效方案。由于在整个过程中没有腔（光纤）光子或氮空位（NV）中心的激发能级被填充，因此该方案不受腔（光纤）衰减和NV中心自发发射的影响。严格的数值模拟表明，保真度是高的，即使在现实的缺陷存在。
2017-09-22 quant-ph
Two-Photon Rabi Splitting in a Coupled System of a Nanocavity and Exciton Complexes
腔点系统中的双光子拉比分裂为量子光子网络中的多量子比特相干控制提供了基础。本文报道了强耦合腔点系统中的双光子拉比分裂。量子点有意地生长为大尺寸，以获得大的振荡强度和小的双激子结合能。激子和双激子跃迁都耦合到具有超过130 $μ$ eV的大耦合强度的高品质因数光子晶体腔。此外，小的结合能使得腔能够同时与两个激子态耦合。由此实现了双激子与腔之间的双光子拉比劈裂，利用量子主方程的理论计算可以很好地再现这一结果。
2018-05-23 physics.optics quant-ph
Controlling single rare earth ion emission in an electro-optical nanocavity
本文在薄膜铌酸锂电光光子晶体腔中嵌入铒离子，利用超过170的Purcell因子实现单离子探测，并通过电光调谐共振频率动态控制发射率，展示了单离子激发的存储与读取，为可控单光子源和自旋-光子界面提供新途径。
2022-11-22 physics.app-ph physics.optics quant-ph
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
Diamond Integrated Quantum Photonics: A Review
金刚石中的集成量子光子器件在许多量子应用中具有巨大的潜力，包括长距离量子通信、量子信息处理和量子传感。这些设备受益于钻石卓越的热、光学和机械性能的结合。其宽的电子带隙使金刚石成为各种光学活性自旋量子位的理想宿主，这些量子位是量子技术的关键构建块。在具有里程碑意义的实验中，金刚石自旋量子比特已经实现了远程纠缠、存储增强量子通信和具有容错量子纠错的多量子比特自旋寄存器的演示，从而实现了多节点量子网络。这些进步使金刚石成为量子信息处理的固态材料平台的前沿。金刚石纳米纤维技术的最新发展为进一步将这些具有里程碑意义的实验扩展到现实生活中的量子技术提供了一条有希望的途径。在本文中，我们集中在创建集成金刚石量子光子器件的最新进展，特别强调自旋光子接口，腔光机械器件，和自旋声子转导。最后，我们讨论了在可扩展的量子技术中使用钻石的前景和仍然存在的挑战。
2022-07-18 physics.optics quant-ph
Quantum network nodes based on diamond qubits with an efficient nanophotonic interface
量子网络需要由具有高保真量子处理和存储能力的固定寄存器组成的功能节点，其与在光纤中传播的光子有效地接口。我们报告了使用具有嵌入式硅空位（SiV）色心和近端核自旋的金刚石纳米腔实现此类节点的重要一步。具体而言，我们表明，有效的SiV腔耦合（与协同性$C >30$）提供了一个近乎确定性的光子和电子自旋存储器之间的接口，具有超过一毫秒的相干时间。采用相干微波控制，我们展示了预示单光子存储在长寿命的自旋存储器以及一个通用的控制腔耦合的两个量子位寄存器组成的SiV和近端$^{\mathrm{13}}$ C核自旋与近秒长的相干时间，奠定了基础，实现量子中继器。
2019-08-01 quant-ph
Non-Abelian geometrical control of a qubit in an NV center in diamond
我们提出了一种在金刚石中带负电荷的氮空位中心实现光学量子比特旋转的方法。量子比特在相对较低的温度极限下被编码在基态简并态中。旋转过程的基本思想是绝热通道中的非阿贝尔几何相位，它是由两个简并暗态之间的非绝热跃迁产生的。的可行性是基于成功的模型NV中心作为一个激发的双重四能级原子。
2012-07-09 quant-ph
Instantaneous coherent destruction of tunneling and fast quantum state preparation for strongly pulsed spin qubits in diamond
研究了由共振强脉冲驱动的量子比特，并探索了一种参数机制，在该机制中，动力学可以用封闭形式求解。对于较长的脉冲，可以看到隧穿的瞬时相干破坏，而较短的脉冲允许快速制备量子比特状态。结果与最近的实验进行了比较脉冲氮空位中心自旋量子位在金刚石。
2010-11-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum measurement of a rapidly rotating spin qubit in diamond
旋转坐标系中的受控量子位为探索基本量子物理学（例如物理旋转坐标系中的几何相位）提供了新的机会，并且可以潜在地增强对磁场的检测。实现一个可以在物理旋转过程中测量和控制的单个量子比特在实验上具有挑战性。在这项工作中，我们证明了量子控制的一个单一的氮空位（NV）中心内的钻石旋转200，000转，旋转周期相当于NV自旋相干时间$T_2$。我们频闪图像的个人NV中心，执行快速圆周运动，除了旋转，并演示准备，控制和读出的量子位量子态与激光和微波。使用自旋回波干涉的旋转量子比特，我们能够检测调制的NV塞曼位移所产生的旋转NV轴和外部直流磁场。我们的工作在物理旋转框架中建立了钻石中的单个NV量子位作为量子传感器，并为实现基于钻石的单量子位旋转传感器铺平了道路。
2018-02-10 quant-ph
Two-qubit quantum gates for defect qubits in diamond and similar systems
我们提出了一种快速，可扩展的全光学设计，用于金刚石（NV中心）和碳化硅中的缺陷量子位的任意两个量子位操作，这是室温量子计算的有前途的候选者。量子比特之间的相互作用是通过微腔光子进行的。该方法使用来自通过光学控制激活的较高能量激发态的相长干涉。在这种方法中，腔模式保持与用于初始化和读出的直接可访问的光学跃迁非共振。所有的量子操作都是由近共振的窄带宽光脉冲控制的。我们进行全量子数值模拟的建议门，并表明高保真度的操作可以获得现实的参数。
2013-10-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
A transition-metal qubit in diamond with all-optical control and millisecond quantum memory
Michigan State University（密歇根州立大学）；University of Leipzig（莱比锡大学）；Element Six Global Innovation Centre（元素六全球创新中心）；Fraunhofer USA Inc.（弗劳恩霍夫美国公司）
本研究展示了一种基于金刚石中镍空位（NiV⁻）缺陷的过渡金属量子比特，通过自旋-轨道保护实现毫秒级相干时间，并利用全光控制实现拉曼拉比振荡和动力学去耦，为可部署的自旋-光子界面提供了新途径。
2026-07-03 cond-mat.other physics.atom-ph quant-ph
Entanglement between a diamond spin qubit and a photonic time-bin qubit at telecom wavelength
我们报道了NV电子自旋量子比特和电信波段光子量子比特之间量子纠缠的实现和验证。首先，我们在自旋量子比特和637 nm光子时间仓量子比特之间产生纠缠，然后进行光子量子频率转换，将纠缠转移到1588 nm光子。我们在不同的基础上通过相关测量来表征所得到的状态，并找到了F = 0.77 +/- 0.03的Bell状态保真度的下限。这一结果是通过光纤基础设施扩展量子网络的重要一步。
2019-05-21 quant-ph
Coupling Nitrogen Vacancy Centers in Diamond to Superconducting Flux Qubits
提出了一种实现金刚石中氮空位中心与超导磁通量子比特相干耦合的方法。由此产生的耦合可以用来创建由通量量子位介导的远NV中心的自旋状态之间的相干相互作用。此外，磁耦合可以用于实现通量量子比特和NV中心的系综之间的量子信息的相干传输。这使得SC量子处理器能够长期存储，并且可能是SC量子比特与光之间的接口。
2010-10-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast qubits of optical frequencies on the rare-earth ions in fluoride crystals and color centers in diamond
提出了一种用于快速（$10^{-9}\rm{s}$）量子计算机（FQC）的掺稀土离子（REI）和金刚石对中心的氟化物晶体。作为REI掺杂的特定系统，我们提出了$Ca_{1-x}Sr_{x}F_{2}$晶体及其类似物。这些离子的具有不同总轨道角动量的$^{4}f$ -态充当二能级系统（量子比特）。还提出了合适的REI。金刚石中的$SiV$和$GeV$对中心是在高温下运行的快速光量子计算机的有前途的系统。
2021-03-23 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Demonstration of qubit operations below a rigorous fault tolerance threshold with gate set tomography
量子信息处理器保证了经典计算机无法解决的问题的快速算法。但是由于量子比特是有噪声和容易出错的，它们将依赖于容错的量子纠错（FTQEC）来可靠地计算。量子纠错可以防止一般的噪音，如果-只有当-在每个物理量子位操作的错误小于一定的阈值。一般误差的阈值由其菱形范数量化。到目前为止，量子比特主要通过随机基准测试进行评估，该测试报告了不同的“错误率”，对所有错误都不敏感，并且不能直接与钻石范数阈值进行比较。在这里，我们使用门集层析成像（GST），以完全表征操作的捕获Yb $^+$ -离子量子位，并证明了非常高的（$>95\%$）的信心，他们满足严格的阈值FTQEC（钻石规范$\leq6.7\times10^{-4}$）。
2017-01-29 physics.atom-ph quant-ph
Suppression of spin bath and low-frequency noise for sub-MHz AC magnetometry based on double-dressed spin qubit in diamond
本文提出利用级联连续动力学解耦形成单、双缀饰态以抑制金刚石量子比特的自旋浴耦合和低频噪声，实现低于1 MHz弱AC信号检测，SNR最高达17。
2025-06-09 quant-ph
Analysis of the spectroscopy of a hybrid system composed of a superconducting flux qubit and diamond NV centers
结合超导磁通量子比特和金刚石中电子自旋系综的优点的混合系统是实现量子信息处理的最有前途的器件之一。探索超导体金刚石系统的特性对于有效地使用该装置是必不可少的。当我们对该系统进行光谱分析时，观察到显著的功率展宽。然而，以前的模型来描述这个系统是已知的，只有当功率展宽是可以忽略不计的适用。在这里，我们建立了一种新的方法来分析这个系统的强驱动，并成功地再现了频谱的功率展宽。我们的研究结果提供了一个有效的方法来分析这种混合系统。
2015-05-28 quant-ph
Strongly Coupled Diamond Spin Qubits by Molecular Nitrogen Implantation
电离氮分子（$^{15}$ N $_{2}^+$）被用作有效的点源，用于在金刚石中产生具有纳米级空间分离和高达55 kHz磁耦合强度的NV $^-$对。共注入$^{12}$ C $^+$增加了对的产率，并且$^{13}$ C耗尽的金刚石允许获得0.65 ms的相干时间。进一步耦合到第三暗自旋提供了强耦合的三自旋寄存器。这些结果标志着实现多量子位系统和可扩展NV $^-$量子寄存器的重要一步。
2013-11-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Hybrid quantum gates between flying photon and diamond nitrogen-vacancy centers assisted by optical microcavities
混合量子门由于保留了不同量子系统的优点，在量子信息处理中有着广阔的应用前景。在这里，我们提出了紧凑的量子线路，确定性地实现控制非，Toffoli和Fredkin门之间的飞行光子量子比特和金刚石氮空位（NV）中心的辅助微腔。这些通用量子门的目标量子比特被编码在与金刚石NV中心相关联的电子的自旋上，并且它们具有用于存储信息的长相干时间，并且控制量子比特被编码在飞行光子的偏振上，并且可以容易地被操纵。我们的量子线路紧凑、经济、简单。此外，它们不需要额外的量子比特。与两量子比特纠缠门的综合相比，我们的通用三量子比特门方案的复杂性大大降低。这些方案具有较高的准确度和效率，在实验上是可行的。
2017-03-02 quant-ph
Compact quantum gates on electron-spin qubits assisted by diamond nitrogen-vacancy centers inside cavities
在固态系统上构造紧凑的通用量子门量子线路是量子计算的关键。我们提出了一些紧凑的量子电路的确定性固态量子计算，包括CNOT，Toffoli，和Fredkin门的金刚石氮空位中心限制在腔中，通过一些单光子的输入-输出过程实现。我们为这些通用量子门设计的量子线路简单而经济。此外，没有使用额外的电子量子比特，而只是使用单光子介质。这些门有很长的相干时间。我们讨论了这些通用的固态量子门的可行性，得出结论，他们是可行的，以目前的技术。
2013-10-21 quant-ph
Long coherence time of spin qubits in $^{12}$C enriched polycrystalline CVD diamond
金刚石中的单缺陷，特别是带负电荷的氮空位（NV）中心是一种非常有前途的量子体系，在物理学和生物学中有着广泛的应用。结果表明，通过生长具有低浓度的氮电子自旋和$^{13}$ C碳同位素核自旋的超纯金刚石，可以大大提高它们的相干特性。本文报道了一种高质量的$^{12}$富碳多晶CVD金刚石材料，其性能与单晶相当。我们在这种材料的晶粒中发现了单个的NVs，它显示出极长的电子自旋相干时间$T_2 > 2\,ms$。
2012-06-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Diamond optomechanical crystals with embedded nitrogen-vacancy centers
混合量子器件，其中不同的量子元件组合以实现增强的功能，近年来由于其解决量子信息处理、通信和控制中的关键问题的令人兴奋的潜力而受到广泛关注。具体地，在混合机械装置领域中已经取得了显著进展，其中量子位耦合到机械振荡器。超导量子比特已经证明了这种设备中的强耦合，并且通过晶体应变将缺陷量子比特耦合到机械元件已经实现了量子比特测量和控制的新方法。在本文中，我们展示了嵌入氮空位（NV）中心的金刚石光机械晶体的制造，实现量子制度与缺陷量子比特混合机械设备的初步步骤。我们测量了金刚石光机晶体的光学和机械共振以及单个嵌入NV中心的自旋相干性。我们发现，自旋有很长的相干时间$T_2^* = 1.5 μs$和$T_2 = 72 μs$，尽管其接近纳米表面。最后，我们讨论了这些设备的潜在改进和未来的实验在量子制度的前景。
2018-11-10 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Coherent microwave, optical, and mechanical quantum control of spin qubits in diamond
本文综述金刚石色心自旋量子比特的相干控制技术，涵盖微波、光学及新兴机械控制方法，并探讨其在量子网络与多量子比特寄存器中的应用前景。
2023-12-11 quant-ph
Coherent coupling of a superconducting flux-qubit to an electron spin ensemble in diamond
金刚石中的电子自旋氮空位色心由于其大的集体耦合和长的相干时间而成为超导量子比特的量子存储器的天然候选者。我们在这里报告的强耦合和相干交换的一个单一的量子的能量之间的磁通量子位和氮空位色心系综的第一个示范。
2011-11-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Single-shot readout of multiple nuclear spin qubits in diamond under ambient conditions
我们利用金刚石中单个氮空位缺陷的电子自旋，在环境条件下实时观测了相邻单个核自旋的演化。使用天然丰度的$^{13}$ C同位素的金刚石样品，我们首先展示了高保真度初始化和单个$^{13}$ C核自旋的单次读取。通过在量子寄存器中包括NV缺陷的固有$^{14}$ N核自旋，然后我们报告了与两个核自旋物种相关的量子跳跃的同时观察，提供了两个量子位的有效初始化。这些结果为基于金刚石的量子信息处理开辟了新的途径，包括量子纠错协议中的主动反馈和室温下与固态单自旋的量子关联测试。
2012-10-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-microwave holonomic control of an electron-nuclear two-qubit register in diamond
我们提出了一个理论方案，允许执行一个通用的一套完整的门上的两个量子位寄存器，形成一个$^{13}$ C核自旋耦合到一个氮空位中心的金刚石的电子自旋。电子自旋和$^{13}$ C原子的前三层自旋之间的强超精细相互作用允许仅使用微波脉冲在亚微秒时间尺度上操作寄存器的状态。我们描述的系统和操作制度的分析和数值，以及模拟的初始化协议。
2020-02-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Long-range photon-mediated gate scheme between nuclear spin qubits in diamond
金刚石中的缺陷中心是特殊的固态量子系统，可以具有极长的电子和核自旋相干时间。到目前为止，氮核自旋的单量子比特门，具有氮空位（NV）中心电子自旋的双量子比特门，以及附近氮核自旋之间的纠缠已经得到证明。在这里，我们开发了一个在两个遥远的氮核自旋之间实现通用双量子比特门的方案。虚拟激励的NV中心，嵌入在一个光学腔可以散射激光光子进入腔模式，我们表明，这个过程取决于核自旋状态的氮原子。如果两个NV中心同时耦合到公共腔模式并单独激发，则虚腔光子交换可以调解核自旋量子位之间的有效相互作用，其取决于两个核的自旋状态，这实现了通用的受控$\textit{Z}$门。我们预测操作时间低于100纳秒，这比钻石中核自旋量子比特的退相干时间快几个数量级。
2015-07-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurement based 2-qubit unitary gates for pairs of Nitrogen-Vacancy centers in diamond
高保真双量子位量子逻辑门的实现对于诸如金刚石中的氮空位（NV）中心的隔离固态量子位仍然是一个突出的挑战。在这项工作中，我们表明，通过驱动NV中心对进行光子散射过程，同时翻转它们的量子比特状态，我们可以实现一个单一的双量子比特门条件下的单光子检测事件。此外，通过利用NV中心电子状态的光学跃迁之间的量子干涉，我们实现了两个特殊的驱动频率的存在：一个“魔术”点的自旋保持弹性散射率被抑制，和一个“平衡”点的状态翻转散射率是相等的。我们分析了四种不同的门操作方案，利用这两个特殊的驱动频率，以及在驱动和收集路径的偏振的各种组合。我们的理论和数值计算表明，门保真度可以高达97%。所提出的幺正门与现有的单量子比特幺正操作相结合，形成了一个用于量子计算的通用门集。
2018-08-29 quant-ph
Discrete time quantum walk with nitrogen-vacancy centers in diamond coupled to a superconducting flux qubit
我们提出了一个量子电动力学计划实现离散时间，创造量子行走与沃克对应的相位自由度的准磁振子场实现在金刚石中的氮空位中心的系综。硬币被实现为超导通量量子比特。我们的计划改进了现有的建议，实现量子行走腔量子电动力学通过删除繁琐的要求，根据平均准粒子数的不同驱动脉冲持续时间。我们的改进是相关的所有间接抛硬币腔量子电动力学实现的量子行走。数值分析表明，该方案可以在实际条件下实现离散量子行走。
2013-07-16 quant-ph
First-principles Studies of Strongly Correlated States in Defect Spin Qubits in Diamond
利用最近发展起来的量子嵌入理论，我们对金刚石中自旋缺陷的强关联态进行了第一性原理计算。在这个理论中，有效的哈密顿量被构造出来，可以用经典计算机和量子计算机来求解;后者比前者保证了一个更有利的尺度作为系统大小的函数。特别地，我们报道了金刚石中的中性IV族空位复合物的研究，并讨论了它们的强关联自旋单重态和自旋三重态激发态。我们的研究结果提供了有价值的预测实验，旨在光学操纵这些缺陷的量子信息技术的应用。
2020-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Controllable Non-Markovianity for a Spin Qubit in Diamond
我们提出了一个灵活的计划，实现非人工非马尔可夫动力学的电子自旋量子位，使用氮空位中心的钻石，其中固有的氮自旋作为一个调节器的动力学。通过改变氮原子自旋的布居数，我们证明了我们可以平滑地调节电子自旋动力学的非马尔可夫性。此外，我们研究的退相干动力学诱导的自旋浴排除其他来源的非马尔可夫性。通过使用贝叶斯数据分析，将收集的测量数据量保持在最小值。这使得一个精确的量化的参数参与描述的动态和预测到目前为止未观察到的数据点。
2018-08-16 quant-ph
Environmentally mediated coherent control of a spin qubit in diamond
自旋量子比特的相干控制形成了量子信息处理和纳米级传感、成像和光谱学中的许多应用的基础。这种控制通常通过用谐振全局场（通常在微波频率下）直接驱动量子比特跃迁来实现。在这里，我们介绍了一种依赖于附近环境自旋的共振驱动的方法，当环境自旋拉比频率与量子比特共振相匹配时，其局部磁场反过来驱动量子比特。环境介导共振（EMR）的概念是使用基于金刚石中单个氮空位（NV）中心的量子位进行实验探索的，附近的电子自旋作为环境介质。我们展示了EMR驱动的NV自旋态的相干控制，包括拉比振荡，自由感应衰减和自旋回波的观察。这种技术还提供了一种方法来探测自旋量子位的纳米级环境，我们通过在各种设置中获取单个NV中心的电子自旋共振谱来说明这一点。
2017-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fault-tolerant operation of a logical qubit in a diamond quantum processor
固态自旋量子比特是量子计算和量子网络的一个很有前途的平台。最近的实验已经证明了对多量子比特系统的高质量控制，基本量子算法和非容错纠错。大规模系统将需要使用容错操作的纠错逻辑量子比特，以便在有噪声的操作中进行可靠的计算。以这种方式克服缺陷仍然是量子科学面临的一个重大挑战。在这里，我们展示了一个逻辑量子比特上的容错操作使用菱形自旋量子比特。我们的方法是基于5量子位代码与最近发现的标志协议，使容错使用总共7个量子位。我们编码的逻辑量子比特使用一种新的协议的基础上重复的多量子比特测量，并表明它优于非容错编码方案。然后，我们容错操作的逻辑量子比特通过一套完整的单量子比特克利福德门。最后，我们展示了标记的稳定器测量与实时处理的结果。这种测量是容错量子纠错的基础。虽然未来的保真度和量子比特的数量将需要改进，但我们在逻辑量子比特级别上实现容错协议是基于固态自旋的大规模量子信息处理的关键一步。
2021-08-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
{\emph{Ab initio} magneto-optical spectrum of Group-IV -- Vacancy color centers in diamond
钻石中的空位色心是快速出现的量子比特，可以用于量子通信和传感器应用。人们迫切需要了解它们的磁光特性，以便为特定量子应用的不同需求选择合适的量子位。在这里，我们提出的结果，从先进的\emph{ab initio}计算的电荷状态的稳定性，零声子线能量，自旋轨道和电子-声子耦合的第四族-空位色心。基于我们的结果的分析，我们开发了一个新的自旋哈密顿量的这些量子比特，它结合了电子的自旋和轨道的相互作用耦合声子超越微扰理论。我们的结果与以前的数据吻合得很好，并预测了一个新的缺陷，量子比特的应用与热初始化的基态自旋和长的自旋相干时间。
2018-04-19 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.comp-ph
Extending spin coherence times of diamond qubits by high temperature annealing
金刚石中带负电荷的氮空位（NV $^-$）缺陷的自旋是固态量子比特最有希望的候选者之一。含有这些自旋携带缺陷的量子器件的制造需要位置受控地引入具有优异性质（诸如光谱稳定性、长自旋相干时间和稳定负电荷状态）的NV $^-$缺陷。氮离子注入和退火使得NV $^-$自旋量子比特的定位具有高精度，但迄今为止，以这种方式产生的量子比特的相干时间很短，可能是因为存在残余辐射损伤。在目前的工作中，我们表明，在1000 $^\circ$ C的高温退火允许2毫秒的相干时间在室温下实现。这些结果是在高纯度、99.99% $^{12}$ C富集的单晶化学气相沉积金刚石中由还原产生的NV $^-$缺陷获得的。我们讨论这些显着长的相干时间的背景下，剩余缺陷自旋的热行为。[发表于Physical Review B { \bf{88} }，075206（2013）]
2013-09-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optimal Two-Qubit Gates for Group-IV Color-Centers in Diamond
Peter Grünberg Institute-Quantum Computing Analytics (PGI-12), Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心）；Theoretical Physics, Saarland University（萨尔兰州立大学）；Institute for Quantum Optics, Ulm University（乌尔姆大学）
本文研究了在钻石IV族掺杂色心中实现高速稳健的电子自旋与核自旋门的操作策略，通过量子最优控制方法实现了超过99.9%保真度的双量子位门。
2026-04-13 quant-ph
Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond
核自旋与单个固态缺陷的电子自旋耦合的量子寄存器是量子信息处理的一个有前途的平台。开创性的实验选择了有利位置的核自旋具有特别强的超精细耦合的缺陷。为了在大规模应用方面取得进展，非常需要有更大的、可以确定的核登记册。在这里，我们通过利用丰富的弱耦合核自旋来实现对多量子比特自旋寄存器的通用控制。我们使用金刚石中氮空位中心的电子自旋来选择性地初始化、控制和读出周围自旋浴中的碳13自旋，并构建高保真单量子位和双量子位门。我们利用这些新的功能来实现一个三量子比特的量子纠错协议，并证明了对应用错误的编码状态的鲁棒性。这些结果将弱耦合核自旋从退相干源转变为可靠的资源，为基于多量子位节点的扩展量子网络和表面编码量子计算铺平了道路。
2013-09-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent Dark State Formation of a Lead-Vacancy Spin Qubit in Diamond
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；National Institute for Materials Science（国立研究开发法人物质·材料研究机构）；National Institutes for Quantum Science and Technology（国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构）；National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（国立研究开发法人产业技术综合研究所）
本文报道了金刚石中铅空位中心在低温下的磁光与自旋性质，通过相干布居俘获观测到相干暗态的形成，并展示了其相比其他IV族中心在4K以上的热稳定性优势。
2026-06-17 quant-ph
High-Fidelity Entangling Gates for Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond
本研究提出利用金刚石NV中心的共振与非共振跃迁同步效应，通过调整门时间或驱动场消除自旋翻转误差，实现电子与核自旋间快速高保真纠缠门，多量子比特门保真度超0.99。
2024-03-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Raman Excited Spin Coherences in N-V Diamond
通过非简并四波混频（NDFWM）和电磁感应透明（EIT），在N-V金刚石色心中观测到拉曼激发的自旋相干。发现最大吸收抑制为17%，这对应于给定金刚石中N-V中心的随机几何取向的可能的70%。在固体中的量子计算的上下文中，这种透明度水平代表了量子比特（qubit）的有效制备，以及执行任意单个量子比特旋转的能力。
2000-07-28 quant-ph
Universal high-fidelity quantum gates for spin-qubits in diamond
该工作针对金刚石氮-空位中心电子与核自旋两比特系统，设计并演示了完整高保真门集，单比特保真度达99.999%，两比特达99.93%，为大规模色心量子处理奠定基础。
2024-03-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Experimental measurement of the quantum geometric tensor using coupled qubits in diamond
几何学和拓扑学是基本概念，它们构成了许多有趣的物理现象的基础，如物质的拓扑态和拓扑缺陷。在量子力学中，量子态的几何完全由量子几何张量捕获。使用由金刚石中的NV中心形成的量子比特，我们进行了完整的量子几何张量的第一次实验测量。我们的方法建立在相干拉比振荡参数调制和量子几何的基础状态之间的强连接。然后，我们将我们的方法应用到一个系统的两个相互作用的量子比特，通过利用NV中心自旋和相邻的$^{13}$ C核自旋之间的耦合。我们的结果建立了相干动力学响应作为一个通用的量子几何探针，他们铺平了道路，在固态中的新的拓扑现象的检测。
2019-11-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum state tomography of a single electron spin in diamond with Wigner reconstruction
我们给出了室温下金刚石中与氮空位（NV）中心相关的单个电子自旋量子比特的维格纳函数的实验重建。这个球形维格纳函数包含与任意自旋系统的密度矩阵相同的信息。作为一个例子，我们用Wigner函数精确地刻画了经历一个近似纯退相过程的单个量子比特的量子态。该过程的保真度和纯度是从实验重建的维格纳函数中提取的，其动力学与理论预测一致。我们的方法可以应用于多量子比特系统，测量其集体自旋态的维格纳函数。
2018-07-16 quant-ph
Gate Optimization via Efficient Two-Qubit Benchmarking for NV Centers in Diamond
Forschungszentrum Jülich GmbH（于利希研究中心）；Università di Padova（帕多瓦大学）；University of Vigo（维戈大学）；Ulm University（乌尔姆大学）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST), Ulm University（乌尔姆大学综合量子科学与技术中心）；University of Cologne（科隆大学）；Università di Bologna（博洛尼亚大学）
本文提出了一种高效方法，通过仅测量两个量子态来优化双量子比特门，显著减少实验测量次数，提升门操作的保真度。
2026-03-09 quant-ph
Efficiency of optimal control for noisy spin qubits in diamond
本研究探讨了钻石中噪声自旋量子比特最优控制的效率，分析了环境噪声相关时间对控制脉冲形状的影响，并通过实验验证了优化方法的可行性。
2024-11-07 quant-ph
Three-dimensional solid-state qubit arrays with long-lived spin coherence
硅晶体管的三维阵列增加了比特的密度。固态量子比特要大得多，因此可以从使用第三维中受益更多，因为有用的容错量子计算将需要至少10万个物理量子比特，甚至可能是10亿个。在这里，我们使用激光写入在金刚石中创建氮空位中心（NVC）量子位的3D阵列。这将允许500万个量子位在商业上可用的4.5x4.5x0.5 mm金刚石内，基于每个NVC的五个核量子位，并允许每个NVC的$(10 μm)^3$为我们的激光写入电气控制留下空间。我们测量的自旋相干时间比以前的激光写入量子比特长一个数量级，至少与非激光写入的NVC一样长。与NVC量子计算一样，量子通信和纳米级传感也可以从同一平台中受益。我们的方法也可以扩展到金刚石和碳化硅中的其他量子位。
2018-07-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Noise spectroscopy of a quantum-classical environment with a diamond qubit
了解量子系统的环境对于其作为量子设备的实际使用至关重要。量子比特传感器可以重建经典浴的噪声谱密度，提供足够长的相干时间。在这里，我们提出了一个协议，可以解开一个更复杂的环境，包括未知的相干耦合量子系统的特性，和一个更大的量子浴，可以建模为一个经典的随机场。我们利用金刚石中氮空位中心的丰富环境，用偏置磁场调节环境行为，实验证明我们的方法。我们展示了如何重建噪声谱密度，即使在有限的相对较短的相干时间，并确定当地的自旋环境。重要的是，我们证明了重建的模型可以具有预测能力，在不用于噪声光谱的控制序列下描述自旋量子位动力学，这是构建鲁棒量子器件的关键特征。在较低的偏置场，其中浴的量子性质的影响是更明显的，我们发现，需要一个以上的经典噪声模型来正确地描述不同控制下的自旋相干性，由于量子比特的回作用到浴。
2018-12-19 quant-ph
Efficient creation of dipolar coupled nitrogen-vacancy spin qubits in diamond
金刚石中氮空位缺陷电子自旋的相干耦合对或多聚体具有许多有前景的应用，特别是在量子信息处理（QIP）中，而且在纳米传感应用中。自旋量子位的可扩展寄存器对于QIP的发展至关重要。离子注入是唯一已知的能够产生足够接近的缺陷对以允许通过偶极相互作用进行自旋耦合的技术。虽然已经提出了几种竞争的方法来提高离子注入的分辨率，但工作寄存器的可靠创建仍有待证明。当前的限制是残余辐射引起的缺陷，导致量子位性能下降，作为定位精度的折衷。在这里，我们提出了一个优化的估计纳米掩模注入参数，最有可能在标准条件下产生相互作用的量子位。我们将我们的研究结果应用到一个成熟的技术，即掩模写在电子束光刻，以创建一个合理的概率耦合缺陷对。此外，我们调查的缩放行为和必要的改进，以有效地工程相互作用的自旋架构。
2016-10-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-Photon Correlations from a Purcell-enhanced Diamond Nitrogen-Vacancy Center Coupled to an Open Microcavity
SandboxAQ；QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学量子科技与纳米科学卡弗里研究所）
该研究通过增强的普尔索尔效应和开放微腔设计，实现了高效的自旋-光子接口，生成了多量子比特的自旋-光子态并测量了光子与自旋量子比特的相关性。
2025-06-25 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
Ultrafast QND measurements based on diamond-shape artificial atom
我们提出了一个量子非破坏（QND）读出方案的超导人工原子耦合到谐振腔中的电路QED架构，我们估计，没有Purcell效应的限制，一个非常高的测量保真度。该器件由两个通过大电感耦合的transmons组成，通过类交叉克尔项相互作用，产生一个菱形人工原子，一个逻辑量子比特和一个辅助量子比特。该辅助元件强耦合到传输线谐振器。根据量子比特状态，辅助物共振地或色散地耦合到谐振器，导致所传输的微波信号幅度的大对比度。这种原始的方法可以用最先进的约瑟夫森参量放大器来实现，从而在几十纳秒内实现QND测量，保真度高达99.9%。
2013-02-15 quant-ph
Optical control protocols for high-fidelity spin rotations of single SiV$^{-}$ and SnV$^{-}$ centers in diamond
金刚石中的硅空位和锡空位缺陷由于其优异的光学性质而作为NV中心的替代量子位而引起人们的兴趣。虽然这些缺陷中的光学跃迁的可用性是其资产之一，但高保真光学相干控制尚未得到证明。在这里，我们设计新的光学控制方案，针对这些缺陷。通过考虑相干误差和非相干误差，我们评估了电子自旋量子比特在没有和存在外部磁场的情况下的任意单量子比特旋转的性能。我们发现，在存在真实的弛豫和泄漏误差的情况下，Si-V和Sn-V分别可以实现超过$98.0\%$（$T=4$ ~K）和$99.71\%$（$T=6$ ~K）的旋转.
2021-05-18 quant-ph
