Engineering nuclear spin dynamics with optically pumped nitrogen-vacancy center
我们提出了一个利用光泵金刚石氮空位中心作为可调的非平衡浴来控制各种核自旋动力学（如退相、弛豫、压缩、极化等）的一般理论。和核自旋噪声它为耗散和集体核自旋演化的工程化开辟了一条新的途径，解决了$^{13}$ C核自旋噪声抑制实验[E.托根\textit{et al} .，Nature 478，497（2011）]。
2015-03-01 quant-ph
Coherence of an optically illuminated single nuclear spin qubit
我们研究了金刚石中单个核自旋量子比特的相干特性[Dutt等人，Science，316，1312（2007）]中描述的方法。由此产生的核自旋动力学由与快速电子跃迁相关的时间相关的超精细相互作用控制，这可以用自旋涨落模型来描述。我们发现，由于类似于核磁共振中的运动平均过程，核自旋相干性可以在大量的光激发循环后保持。我们的理论分析与实验结果符合得很好。这表明了一种新的方法，可以潜在地将核自旋系统完全从电子环境中隔离出来。
2008-02-20 quant-ph
Decoherence of Nitrogen Vacancy Centers in Diamond
我们模型的退相干和退相的氮空位（NV）中心在金刚石由于一个嘈杂的顺磁浴，有和没有一个射频场的存在下，耦合水平的基态电子态歧管，使用一个简单的量子力学模型，允许解析解。该模型处理NV三能级基态系统中存在的波动磁场，从环境中产生的，并导致退相干，退相和耗散。我们表明，所有9个本征模的三能级系统相互耦合，由于与环境的相互作用，我们讨论的拟合实验中，退相干发挥作用的后果。
2015-11-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin Squeezing Enhanced Quantum Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Qutrits
本文研究利用标准 Ramsey 协议和 Lindblad 方程，探讨三能级 NV 中心在退相干下的自旋压缩增强量子磁力测量，发现合理调度压缩与自由演化时间可在无动力学解耦时维持精度优势。
2025-08-09 quant-ph
Extending spin dephasing time of perfectly aligned Nitrogen-Vacancy centers by mitigating stress distribution on highly misoriented chemical-vapor-deposition diamond
本文提出通过增大（111）金刚石衬底偏轴角来缓解CVD金刚石薄膜应力分布，从而延长完美取向NV中心系综的T2*，为高灵敏度量子传感器提供高质量金刚石合成方法。
2023-07-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Detection of Molecular Transitions with Nitrogen-Vacancy Centers and Electron-Spin Labels
我们提出了一个协议，检测分子的构象变化与两个氮氧电子自旋标记和氮空位（NV）中心的金刚石。更具体地说，我们证明了NV可以检测电子自旋标签之间的耦合引起的能量转移。该协议依赖于微波和射频脉冲在一系列参数中的明智应用，以确保稳定的氮氧共振。此外，我们证明了我们的方案是通过使用不同的氮同位素的氮氧化合物进行优化。我们使用详细的数值模拟和贝叶斯推断技术来证明，我们的方法能够检测构象变化的现实条件下，包括强大的NV退相率作为金刚石表面接近和氮氧化物热化机制的结果。最后，我们表明，随机分子翻滚可以利用提取标签间的距离。
2022-12-20 quant-ph
Ultralong Dephasing Times in Solid-State Spin Ensembles via Quantum Control
量子自旋退相是由与环境的不均匀耦合引起的，从而限制了基于自旋的传感器的测量时间和精度。自旋退相的影响对于固态中电子自旋的密集集合尤其有害，例如对于金刚石中的氮空位（NV）色心。我们报告使用两种互补的技术，自旋浴控制和双量子相干性，以提高非均匀自旋退相时间（$T_2^*$）NV合奏超过一个数量级。结合起来，这些量子控制技术（i）消除了占主导地位的NV自旋系综退相机制的影响，包括晶体应变梯度和与顺磁浴自旋的偶极相互作用，以及（ii）将有效的NV旋磁比增加到两倍。独立应用，自旋浴控制和双量子相干性阐明了在很宽的NV和自旋浴浓度范围内的自旋退相的来源。这些结果表明，最长的报告$T_2^*$在室温下的固态电子自旋系综，并勾勒出一条道路，对NV-金刚石磁强计与宽带femtotesla的灵敏度。
2018-07-19 quant-ph
Dephasing mechanisms of diamond-based nuclear-spin memories for quantum networks
我们探测由单个氮空位中心电子自旋组成的量子网络节点内的退相机制，该节点与周围的$^{13} \text{C}$核自旋量子存储器超精细耦合。先前的研究分析了随机电子自旋重置过程引起的记忆失相，这是光节点间纠缠协议的一个组成部分。在这里，我们发现，通过使用动态解耦技术和利用电子-核动力学中的相位匹配条件，控制不确定性和准静态噪声是由纠缠序列引起的记忆失相的主要贡献者。这些见解使我们能够证明一个19倍的改进的存储器性能，仍然不受电子重新初始化过程的限制。我们进一步进行泵浦-探测研究，探讨自旋翻转通道在光学电子自旋复位。我们发现自旋翻转是通过从亚稳单重态衰变而发生的，其分支比为8（1）：1：1，与以前的工作相反。这些结果使我们能够对基于钻石的量子网络和类似架构进行直接改进。
2018-02-16 quant-ph
Spectral Broadening and Ultrafast Dynamics of a Nitrogen-Vacancy Center Ensemble in Diamond
金刚石中氮空位（NV）中心的许多应用关键依赖于光谱窄且稳定的光学零声子线跃迁。虽然已经证明了许多令人印象深刻的原理验证实验，但在工程NV中心仍有许多工作要做，这些中心的光谱特性对于实际实施来说足够强大。为了阐明其与环境的相互作用的机制，我们应用多维相干光谱的NV中心系综散装金刚石在低温下。我们的光谱揭示了由于准局域振动模式以及皮秒时间尺度上的超快光谱扩散引起的热退相。的固有的，整体平均均匀线宽被发现是在几十GHz的范围内，通过外推到零温度。我们还观察到一个温度依赖性的斯塔克分裂的激发态歧管，相关的NV传感协议。
2020-10-31 quant-ph
Quantum theory of nuclear spin dynamics in diamond nitrogen-vacancy center
我们发展了一个量子理论，研究了由于超精细相互作用而引起的核自旋动力学的退相、弛豫、压缩和窄化。我们的理论的一阶结果再现和推广了核自旋压缩的非线性哈密顿量[M。S. Rupert，Phys. Rev. Lett. 107，206806（2011）]。我们的理论的二级结果很好地解释了金刚石氮空位中心$^{13}$ C核自旋池变窄的实验现象[E. Togan，Nature 478，497（2011）
2014-09-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensing electrochemical signals using a nitrogen-vacancy center in diamond
具有高灵敏度的化学传感器，可以在极端条件下使用，并且可以小型化，在科学和工业中具有很高的兴趣。金刚石中的氮空位（NV）中心由于其电子自旋的长相干时间和光学可及性而成为纳米传感器的理想候选者。在这项理论工作中，我们建议使用NV中心来检测从电解质溶液中出现的电化学信号，从而获得浓度传感器。为此，我们建议使用NV中心（$1/T^*_2$）的电子自旋的非均匀退相速率作为信号。我们表明，对于一个范围内的平均离子浓度的电解质溶液中的大部分，电场波动产生的扩散波动的局部浓度的离子，导致移相率，可以推断从自由感应衰减测量。此外，我们表明，对于一系列的浓度，在NV中心的位置处产生的电场也可以用来估计离子的浓度。
2021-02-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent Control of a Nitrogen-Vacancy Center Spin Ensemble with a Diamond Mechanical Resonator
在金刚石的三重态自旋状态中的氮空位（NV）中心的相干控制传统上是在磁偶极子选择规则的约束下通过共振交流磁场来实现的，磁偶极子选择规则禁止直接控制$|-1>\leftrightarrow |+1>$自旋跃迁。我们发现，与自旋态分裂共振的高频应力可以相干地控制NV中心的自旋在这个子空间。利用单晶金刚石制作的体模机械微谐振器，在金刚石衬底上施加强交流应力，观察到NV中心自旋系综的$|-1>$和$|+1>$态之间的机械驱动拉比振荡.此外，我们使用机械Ramsey序列测量自旋系综的非均匀自旋退相时间（$T_{2}^{*}$），并将其与用磁性Ramsey序列测量的NV中心基态内可用的三个自旋量子位组合中的每一个的退相时间进行比较。这些结果证明了机械谐振器的相干自旋驱动，并且可以在NV中心基态内创建相敏的$Δ$系统。
2014-12-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Observation of the dynamic Jahn-Teller effect in the excited states of nitrogen-vacancy centers in diamond
从5 K到室温测量了单氮空位心的光跃迁线宽和发射偏振。结果表明，在100 K温度范围内，互激发态布居弛豫使零声子谱线展宽，并且弛豫和谱线宽度都随温度的变化而变化。这种依赖性表明，动态Jahn-Teller效应是占主导地位的失相机制的NV光学跃迁在低温下。
2009-12-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Steady state entanglement of distant nitrogen-vacancy centers in a coherent thermal magnon bath
我们研究了钇铁石榴石（YIG）带上两个氮空位（NV）中心之间的稳态纠缠（SSE）。我们确定的退相和耗散的相互作用的量子位的量子的自旋波（磁振子浴）在YIG取决于量子位的位置上的条。我们发现，磁振子的退相效应可以被消除，我们可以转换到一个多模式的浴位移热态使用外部磁场。通过对主方程的推导和求解，分析了量子比特在这种位移热浴中的纠缠动力学。一个额外的电场被认为是工程师在带边的磁振子色散关系，以控制马尔可夫字符的开放系统动力学。我们确定了远距离量子比特系统和YIG带的最佳几何参数，以获得SSE。此外，参数制度的共享位移磁振子浴可以维持显着的SSE对本地退相和退相干的NV中心，他们的核自旋环境已被确定。随着SSE，我们调查的稳态相干性（SSC），并解释延迟SSE出现后的快速生成和突然死亡的纠缠使用的相互作用的消相干的子空间状态，系统的几何形状，热浴的位移，和增强附近的磁振子带边缘的量子位耗散的物理机制。发现了浴相干性与SSE之间的非单调关系，并确定了最大SSE的临界相干性。我们的研究结果阐明了系统的几何形状，带边浴光谱，水库的连贯性，工程系统-水库的相互作用，强大的SSE和SSC的有效利用。
2021-05-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Observing coherence in an incoherent paramagnetic nitrogen spin bath
本文利用金刚石NV色心测量非极化P1中心的自旋相干性，通过周期性塌缩与复苏信号揭示其与$^{13}$C核自旋的偶极耦合，并证明NV色心与P1自旋耦合到独立的核自旋系综，展示了非极化暗态自旋在环境信息提取和多体相互作用研究中的价值。
2023-11-30 quant-ph
Spin decoherence and electron spin bath noise of a nitrogen-vacancy center in diamond
从理论上研究了金刚石中单个氮空位中心的自旋退相干。利用自旋相干态P表象方法，模拟了N电子自旋包围的NV中心的相干演化。我们发现，自旋退相干时间以及NV中心的自由感应衰减依赖于N自旋的空间配置。NV中心的自旋退相干速率（1/T2）和退相速率（1/T2*）均随N个自旋的浓度线性增加。利用P-表示方法，我们还演示了N自旋浴的噪声谱的提取，这将提供有前途的途径，设计一个最佳的脉冲序列，以抑制金刚石中的退相干。
2012-09-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Excitation of surface plasmon polariton modes with multiple nitrogen vacancy centers in single nanodiamonds
金刚石中的氮空位（NV）中心由于其非常适合于量子信息处理和磁场传感中的应用以及代表稳定的荧光源的显著特性而令人感兴趣。纳米金刚石（ND）中的多个NV中心由于其化学中性、亮度和室温光稳定性而特别用作生物荧光团。此外，含有多个NV中心的ND在高精度磁场和温度传感方面也具有潜力。将NV中心耦合到传播的表面等离子体激元（SPP）模式为芯片实验室传感设备提供了基础，允许增强的荧光发射和收集，这可以进一步提高基于NV的传感器的精度。在这里，我们调查耦合的多个NV中心在个别ND的SPP模式支持的银表面保护的薄介电层和金V型槽（VG）通过自终止硅蚀刻。在第一种情况下，我们集中在监测从源ND，这是由泵浦激光器照射，并从散射ND仅由荧光激发的SPP辐射照射获得的荧光光谱的差异。在第二种情况下，我们观察到的平均NV寿命的变化时，相同的ND的特点是外部和内部的VG。还观察到VG末端的荧光发射，这证实了NV耦合到VG支持的SPP模式。
2016-09-15 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Room-temperature manipulation and decoherence of a single spin in diamond
本文报道了室温下对金刚石中单个氮空位中心自旋的相干操纵及其相干性随磁场变化的研究。我们使用磁共振诱导拉比章动，并应用哈恩自旋回波，以消除低频失相的影响。在磁场中观察到退相干率的急剧上升，其中氮空位中心自旋通过磁偶极耦合共振耦合到置换氮自旋。最后，我们发现的证据表明，远离这些能量共振自旋翻转的氮电子的退相干的主要来源。
2006-10-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Enhanced DC-Field Metrology Using Nitrogen Vacancy Spins via Strong Collective Coupling and Fano-Scattering
氮空位系综有望在环境条件下实现磁场传感的灵敏度和分辨率的前所未有的组合。然而，它们的全部感测潜力受到它们的集体相干性的不均匀退化的限制，而动态解耦限制感测到AC场的检测。在这里，我们建议使用最近证明的腔保护效应的室温下，基于集成的直流计量。我们确定了一个参数空间，其中强耦合可以持续在室温下，其中的修饰状态仅限于腔模式和合奏纵向弛豫的退相，显示aT Hz $^{-\frac{1}{2}}$直流场的灵敏度理论上是可以实现的进一步增强通过范诺干涉。
2015-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable universal quantum gates between nitrogen-vacancy centers in levitated nanodiamonds arrays
本文提出一种基于光悬浮纳米金刚石阵列的可扩展架构，利用扭转振动介导远距离NV中心间的相干耦合，结合磁场实现自旋-扭转耦合，实现了保真度超99%的双比特量子门。
2025-09-16 quant-ph
Quantum Zeno effect in a nitrogen-vacancy center embedded in a spin bath
研究了金刚石中被$^{13}$ C核自旋浴包围的氮空位中心的纵向弛豫。利用团簇关联展开（CCE）方法，数值模拟了低温下交叉弛豫引起的电子态衰减过程。结果表明，该方法不仅能够描述大失谐区的纯退相效应，而且还能模拟近共振区的量子动力学行为。我们提出了一个通过实现量子芝诺效应（QZE）来减缓NV中心衰变的方案。计算结果表明，QZE能有效地抑制NV心的衰变。
2016-08-07 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Single-Spin Nitrogen-Vacancy Hybrid Magnetometer with Enhanced Static Field Sensitivity
University of Calgary（卡尔加里大学）；Max Planck Institute for Biophysical Chemistry（马克斯·普朗克生物物理化学研究所）；Sichuan University of Science and Engineering（四川理工学院）；QNeura；VinUniversity（越南大学）；XeedQ GmbH（XeedQ有限公司）
提出将软铁磁微线与单个近表面NV中心集成的混合传感方法，通过放大静磁场响应实现63 nT/sqrt(Hz)的DC灵敏度，较传统方案提升约500倍。
2026-09-28 quant-ph
Exact Entanglement Dynamics of Two Spins in Finite Baths
本文精确求解有限自旋浴中双自旋经 Ising 型相位作用的非马尔可夫纠缠动力学，并通过随机跳跃晶格与核磁共振模型揭示相互作用、重置及浴关联的影响。
2022-12-18 quant-ph
Sensitive AC and DC Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Ensembles in Diamond
通过定制金刚石生长、双量子序列和P1驱动，实现了迄今最灵敏的氮-空位块体磁强计，宽带直流灵敏度约460 fT·s^1/2，窄带交流灵敏度约210 fT·s^1/2。
2023-05-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Absolute magnetometry based on quantum beats in diamond nitrogen-vacancy centers
基于金刚石中氮空位中心基态的量子拍频，我们提出了一种不受温度波动和应变不均匀性影响的绝对磁强计。我们应用这种技术来测量低频磁场噪声使用一个单一的氮空位中心位于500 nm内的同位素纯（99.99%C12）金刚石的表面。在4.45 s的采集时间内，光子散粒噪声限制的灵敏度达到38 nT/Hz ^[1/2]，比仅使用两个自旋能级的实现方式高出2^1/2倍。对于长采集时间（>10 s），我们实现了高达15倍的磁灵敏度的改善，这表明了我们的技术对热漂移的鲁棒性。将我们的技术应用于氮空位中心合奏，我们消除了纵向应变不均匀性的失相，导致灵敏度提高了2.3倍。
2012-12-06 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Cavity Quantum Electrodynamics Effects of Optically Cooled Nitrogen-Vacancy Centers Coupled to a High Frequency Microwave Resonator
最近的实验表明，冷却的微波模式的高品质的介质谐振器耦合到光学冷却的氮空位（NV）在金刚石自旋。我们最近的理论研究[arXiv：2110.10950]指出，冷却的NV自旋可以在室温下实现腔量子电动力学效应（C-QED）。在这篇文章中，我们建议修改最近的金刚石脉泽实验[Nature 55，493-496（2018）]中使用的设置，其具有更高的自旋跃迁频率，更低的自旋退相速率和更强的NV自旋谐振器耦合，以实现更好的微波模式冷却和室温CQED效应。为了更精确地描述光学自旋冷却和集体自旋共振耦合，我们扩展了标准的Jaynes-Cumming模型，以考虑NV中心丰富的电子和自旋能级。我们的计算表明，对于所提出的设置，它是可能的冷却的微波模式从$293$ K（室温）到$116$ K，这是约$72$ K低于以前的记录，并研究有趣的动力学的CQED效应下的弱到强的耦合转变，通过改变激光功率。通过简单的修改，我们的模型可以应用于，例如，并五苯分子的其他固态自旋或三重态自旋，并研究其他效应，如脉冲和连续波激射的操作。
2022-03-08 quant-ph
High-precision gravimeter based on a nano-mechanical resonator hybrid with an electron spin
我们表明，可以测量的重力加速度与物质波拉姆齐干涉术，通过使用一个氮空位中心耦合到一个纳米机械谐振器。我们提出了两种实验方法来实现的哈密顿量，通过使用悬臂梁谐振器或捕获的纳米粒子。该方案对热噪声具有较强的鲁棒性，并且可以在远高于量子态的温度下实现。计算了退相干对干涉条纹可见度的影响，包括氮空位中心的机械运动衰减和退相。此外，我们证明了在各种随机和系统噪声源下，我们的重力仪可以在芯片上实现，并实现高的测量精度。在实验可行的参数下，该重力仪可以达到$10^{-10}$的相对精度。
2018-07-16 quant-ph
Beyond the Purcell Effect: Controlling Pure Quantum Dephasing with Spin Noise Metasurfaces
Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering, Purdue University（普渡大学埃尔莫电气与计算机工程学院）；Birck Nanotechnology Center, Purdue University（普渡大学伯里克纳米技术中心）
本文提出了一种纳米光子方法，用于修改量子比特的纯退相位动力学，通过开发超亚波长自旋噪声超材料，实现对远离共振频率的低频光子环境的高效宽带控制，从而在量子光-物质相互作用工程中开辟了新前沿。
2026-05-19 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Longitudinal relaxation of a nitrogen-vacancy center in a spin bath by generalized cluster-correlation expansion method
本文从理论上研究了金刚石中被~（13）C核自旋池包围的氮空位中心的纵向弛豫。通过在团簇中引入电子自旋，我们推广了团簇相关展开（CCE），从理论上模拟了NV中心电子自旋的布居动力学。利用推广的CCE方法，数值模拟了室温下交叉弛豫引起的电子态衰减过程。结果表明，该方法不仅能描述大失谐区的纯退相效应，而且能模拟近共振区的量子动力学行为。
2019-10-26 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Single-Nitrogen-vacancy-center quantum memory for a superconducting flux qubit mediated by a ferromagnet
我们提出了一种量子存储方案，通过铁磁体钇铁石榴石（YIG）将超导磁通量子比特（FQ）的量子态转移和存储到金刚石中单个氮空位（NV）中心的电子自旋中。与NV中心的系综不同，YIG慢化剂可以在不引入额外的明显退相干的情况下增强有效的N-NV-中心耦合强度。我们通过追踪YIG自旋集体模的自由度，导出了FQ和NV中心之间的有效相互作用。我们演示的转移，存储和检索程序，考虑到自发衰变和纯退相的影响。使用现实的实验参数的FQ，NV中心和YIG，我们发现，一个组合的传输，存储和检索保真度高于0.9，与10毫秒的长存储时间，可以实现。这种混合系统不仅可以作为一种有前途的量子存储器，而且还提供了一个通过集体自由度增强各种系统之间耦合的例子。
2018-04-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cross-entangling electronic and nuclear spins of distant nitrogen-vacancy centers in noisy environments by means of quantum microwave radiation
金刚石中的氮空位（NV）缺陷中心是在室温固态环境中产生纠缠态的强有力候选者。空间分离的NV系统中的量子关联，从几纳米到几公里的NV之间的距离，最近已经报道。本文研究了双模微波压缩（纠缠）光子（与两个最低NV电子自旋态共振）到初始非纠缠NV中心的纠缠转移。我们首先证明了从量子微波到孤立NV电子自旋的纠缠转移过程是可行的。然后，我们继续扩展以前的结果，以更现实的情况下，13 C核旋转浴周围的每个NV被包括在内，量化的纠缠转移效率和鲁棒性的影响下的移相/耗散嘈杂的核浴。最后，我们解决的问题，评估纠缠转移的可能性从压缩微波光到两个远程核自旋密切联系到不同的NV中心。
2018-07-26 cond-mat.other quant-ph
Emulated nuclear spin gyroscope with $^{15}$NV centers in diamond
针对 NV 陀螺仪大型自旋系综相干性退化问题，研究利用 $^{15}$NV 中心核自旋，揭示相干衰减机制并开发仅控制电子自旋的鲁棒相干保护协议，实现退相干时间提升 15 倍及陀螺仪灵敏度提升一个数量级。
2024-01-06 quant-ph
Laser and cavity cooling of a mechanical resonator with a Nitrogen-Vacancy center in diamond
我们从理论上分析了机械谐振器的高Q模的冷却动力学，当该结构也是一个光学腔，并与NV中心耦合。NV中心由激光驱动并与腔光子场和机械振荡器的应变场相互作用，而辐射压力耦合机械谐振器和腔场。从完整的主方程出发，我们推导出机械谐振器运动的速率方程，其系数取决于系统参数和噪声源。然后，我们确定的冷却制度，冷却速率，渐近温度，和实验相关的参数制度的共振荧光光谱。对于这些参数，我们考虑电子跃迁，其线宽允许进行边带冷却，并表明，一般不提高冷却效率的光学腔的添加。我们进一步表明，NV中心的电子跃迁的纯退相可以导致冷却效率的提高。
2016-10-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multimode Jahn-Teller Effect in Negatively Charged Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
Hainan University（海南大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；Xiamen University（厦门大学）；TU Delft（代尔夫特理工大学）
本研究通过从头原理方法揭示了金刚石中负电荷NV中心的多模式詹-特勒效应，解析了振动模式对JT动态的贡献，并提供了关于退相干和固态量子技术相关动态的新见解。
2026-01-31 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
Quantum entanglement distribution using a magnetic field sensor
基于纳米金刚石中的晶体缺陷，特别是氮空位（NV）中心的传感器可以实现单个磁矩的检测。在这里，我们表明，这种精致的控制可以用来纠缠远程电子自旋的应用在量子计算;移动传感器提供了一个"飞行"的量子位，而感测本地字段的行为构成一个两个量子位的投影测量。因此，尖端介导了良好分离（因此良好控制）的量子比特阵列之间的纠缠。我们的计算确定，这样的设备将是非常强大的对现实的问题，如失相和多模态振动的传感器尖端。我们还提供了计算，建立在不久的将来与固定的传感器进行演示实验的可行性。
2011-06-03 quant-ph
Comparison of dynamical decoupling protocols for a nitrogen-vacancy center in diamond
我们对金刚石中氮空位中心的动力学退耦进行了详细的理论和实验研究。我们研究了DD序列应用于抑制耦合到由取代氮原子组成的自旋浴引起的NV中心的电子自旋的退相。研究了各种DD方案的解耦效率，包括周期和周期脉冲序列。对于理想的控制脉冲，我们发现，DD协议与Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）的脉冲定时提供了最好的性能。我们发现，随着控制脉冲的数量的增加，去耦保真度标度定性不同的马格纳斯膨胀的预测，并解释了这种差异的起源。特别是，更高级的对称化或级联协议不会提高DD性能。接下来，我们调查的系统仪器脉冲误差在不同的周期性和非周期性脉冲序列的影响。单轴控制的DD协议在存在脉冲误差的情况下不能保留所有的自旋分量，并且需要双轴控制。我们证明了两个轴的控制序列与CPMG定时是非常强大的脉冲误差。脉冲误差的影响可以通过对称化该协议来进一步减小。对于这里研究的所有协议，我们提出了一个详细的帐户的脉冲误差参数，使最强的DD性能的影响。最后，我们给出了具体的建议，选择解耦协议的系统进行调查。
2012-02-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Mitigation of Nitrogen Vacancy Ionization from Material Integration for Quantum Sensing
本文针对金刚石NV色心在量子材料传感中因金属-半导体界面能带弯曲而电离失敏的问题，提出沉积氧化铝绝缘层优化界面，使灵敏度提升最高2倍、积分时间缩短至四分之一。
2023-04-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Designing spin channel geometries for entanglement distribution
研究了不同几何结构的自旋为1/2的氮杂质通道在金刚石中的远程氮空位中心（NVs）之间的纠缠分布。为了超越直接求解主方程所施加的系统大小限制，我们实现了矩阵乘积算子方法来描述开放系统动力学。在这样做的过程中，我们提供了一个早期的演示如何使用这种技术来模拟真实的系统。对于固定的NV分离，非相干杂质自旋衰减和相干纠缠转移之间存在相互作用：长转移时间，少数自旋系统经历强烈的退相，可以通过增加通道中的自旋数量来克服。我们研究了丢失的自旋和耦合强度的无序如何影响动力学，发现在某些情况下，自旋梯是比单个自旋链更有效的信息管道。
2016-04-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Steady-state entanglement of spin qubits mediated by nonreciprocal and chiral magnons
RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Université de Strasbourg（斯特拉斯堡大学）；TU Wien（维也纳科技大学）；University of Stuttgart（斯图加特大学）；Max Planck Institute for the Science of Light（马克斯·普朗克光科学研究所）
提出混合量子系统，利用非互易或手性磁子介导自旋量子比特的耗散单向耦合，通过驱动实现稳态最大纠缠Bell态，并在NV中心与YIG薄膜磁子表面模式耦合的系统中数值验证，发现退相干时间是主要瓶颈。
2026-06-19 quant-ph
Controlling the quantum dynamics of a mesoscopic spin bath in diamond
理解和减轻退相干是量子科学和技术的关键挑战。固态纺丝系统退相干的主要来源是不受控的纺丝浴环境。在这里，我们展示了在室温下金刚石中的介观自旋浴的量子控制，该自旋浴由取代氮杂质的电子自旋组成。使用单个氮空位（NV）中心电子自旋作为磁场传感器探测所得的自旋浴动力学。我们利用旋转浴控制来动态地抑制由旋转浴引起的NV自旋的退相。此外，通过结合自旋浴控制与动力学解耦，我们直接测量的相干性和时间相关的不同组的浴自旋。这些结果为退相干的基础研究开辟了一个新的领域，并为基于自旋的磁学和量子信息处理提供了新的途径。
2012-05-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale electrometry based on a magnetic-field-resistant spin sensor
氮空位（NV）中心是一个潜在的原子级自旋电场传感器。然而，其对磁场的自然敏感性阻碍了对电场的有效检测。在这里，我们提出了一种利用连续动态解耦（CDD）技术的鲁棒电测方法。在CDD期间，NV中心在修饰状态空间中演化，其中传感器抵抗磁场但对电场保持敏感。作为一个例子，我们利用这种方法，通过测量修饰态之间的退相速率，从金刚石表面附近的复杂电磁环境中分离出电噪声。通过降低不同覆盖液体的表面电噪声，我们观察到的退相速率和液体的介电常数之间的明确的关系，这使得在金刚石表面附近的电噪声模型的定量调查。
2020-04-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Floquet analysis of coherence in periodically driven diamond NV ensemble systems
Ajou University（亚洲大学）；Korea Research Institute of Standards and Science（韩国标准科学研究院）；Sungkyunkwan University（成均馆大学）
通过WAHUHA序列延长NV系综有效退相时间至31微秒，但直流磁灵敏度提升有限；利用有限脉冲Floquet分析揭示相位缠绕和准能带折叠导致光谱重塑并抑制响应斜率。
2026-09-18 quant-ph
Performance of quantum registers in diamond in the presence of spin impurities
针对多量子比特寄存器连续门操作性能的研究需求，本文对含自旋杂质的金刚石NV中心小型自旋寄存器开展理论分析，用簇关联展开预测相干性与门保真度，考虑自旋浴的密度与几何影响。
2023-07-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-optical control of the silicon-vacancy spin in diamond at millikelvin temperatures
金刚石中的硅空位中心由于其良好的光学性质和光学可寻址的电子自旋，在量子光子学中提供了有吸引力的机会。在这里，我们结合两者来实现其自旋态的全光相干控制。我们利用这种方法来探索自旋退相效应在杂质丰富的样品超出声子诱导的退相干的限制：采用拉姆齐和哈恩回波技术在12 mK的基础温度，我们确定共振耦合取代氮自旋浴作为限制退相干源的电子自旋。
2017-08-28 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optimal control of a quantum sensor: A fast algorithm based on an analytic solution
针对退相位噪声下时变场自旋传感器的最优脉冲控制问题，将其映射为自旋链基态求解问题，得到近似解析解并以此为初值构建快速模拟退火算法，在金刚石氮空位中心磁力计实验中验证了灵敏度提升。
2024-05-16 quant-ph
Sensing distant nuclear spins with a single electron spin
我们实验证明了使用一个单一的电子自旋来测量从周围的自旋浴内遥远的个人核自旋的量子动力学。我们的技术利用电子自旋的相干控制，使我们能够隔离和监测弱耦合到电子自旋的核自旋。具体来说，我们检测到的进化遥远的个人碳-13核自旋耦合到单氮空位中心的金刚石晶格与超精细耦合下降到一个因素的8以下的电子自旋裸退相速率。潜在的应用纳米磁共振成像和量子信息处理进行了讨论。
2012-05-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust quantum-network memory using decoherence-protected subspaces of nuclear spins
量子寄存器网络的实现是量子科学和技术中的一个突出挑战。我们实验研究了一个网络节点，由一个单一的氮空位（NV）中心的电子自旋超精细耦合到附近的核自旋。我们演示了在一个节点内对五个核自旋量子比特的单独控制和读出。然后，我们描述了存储的量子叠加在单个核自旋下重复应用的概率光节点间纠缠协议。我们发现，存储保真度是有限的，在电子自旋复位失败后的尝试失相。通过将量子态编码到两个核自旋的消相干保护子空间中，我们证明了量子相干性可以保持超过1000次的远程纠缠协议。这些结果和见解为远程纠缠纯化和使用NV中心量子网络节点实现量子中继器铺平了道路。
2016-03-04 quant-ph
Relaxation, decoherence and steady-state population inversion in qubits doubly dressed by microwave and radiofrequency fields
研究了由强共振分量和频率接近于强场拉比频率的较弱分量组成的经典双色场驱动的弛豫自旋量子比特的相干动力学.双色场的双重修饰改变了退相和耗散过程。我们证明了弱场频率与强场拉比频率的失谐会导致某些双修饰态之间拉比振荡的衰减。对于金刚石中的氮空位量子比特，说明了拉比振荡对修正的失谐依赖弛豫的敏感性。我们讨论了双修饰态能级的稳态布居数反转。
2014-10-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
$T_2$-limited sensing of static magnetic fields via fast rotation of quantum spins
基于金刚石的量子磁力计对振荡（AC）磁场比静态（DC）场更敏感，因为晶体杂质诱导的系综退相时间$T_2^*$（DC场的相关感测时间）比自旋相干时间$T_2$短得多，自旋相干时间决定对AC场的敏感度。在这里，我们演示了测量直流磁场使用物理旋转合奏的氮空位中心的精度最终由$T_2$而不是$T_2^*$限制。金刚石的旋转周期与$T_2$相当，并且NV轴与目标磁场之间的角度作为时间的函数而变化，从而将静态磁场上转换为物理旋转坐标系中的振荡场。使用旋转NV中心的自旋回波干涉法，我们能够进行比传统的拉姆齐实验长一百倍的测量。通过修改，我们的方案可以实现DC灵敏度，其等效于所展示的NV中心AC磁场灵敏度的$0.1$ \，nT\，Hz $^{-1/2}$阶。
2018-12-04 quant-ph
Scalable nuclear-spin entanglement mediated by a mechanical oscillator
我们提出了一个固态混合平台的基础上植入的氮空位（NV）中心的金刚石磁耦合到一个机械振荡器的阵列。机械振荡器和NV电子自旋都充当量子总线，使我们能够在遥远的核自旋之间诱导有效的长程相互作用，放松对空间距离的要求。相干核自旋-自旋相互作用具有伊辛模型的形式，在存在机械阻尼和自旋退相的情况下，除了电子自旋的微波驱动场之外，还可以通过核自旋的脉冲动力学解耦来维持。本混合平台提供了一种可扩展的方式来制备具有长相干时间的核自旋之间的多体纠缠，并且可以应用于生成可用于通用量子计算的图态。
2018-10-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensing of Fluctuating Nanoscale Magnetic Fields Using NV Centres in Diamond
基于金刚石中的氮空位（NV）缺陷的新的磁力测量技术允许静态（DC）和振荡（AC）纳米磁性系统的成像。然而，这些技术需要准确的知识和控制的样品动力学，并因此限制了他们的能力，从快速波动（FC）的环境所产生的图像领域。我们在这里展示了FC场对NV量子比特磁强计的直流场灵敏度的限制，并且通过探测磁性FC环境中量子比特的失相速率，我们能够测量波动率和RMS场强，否则使用DC和AC磁力测量技术将无法获得这些。FC的灵敏度与AC场的灵敏度相当，同时不需要额外的实验管理费用或对样本的控制。
2009-07-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry
金刚石中含有氮空位（NV）中心的固态自旋系统构成了越来越受青睐的量子传感平台。然而，目前的NV系综装置表现出远离理论极限的数量级的灵敏度。灵敏度不足既妨碍了现有的实现，也限制了设想的应用空间。本文分析了现有的和建议的方法，以提高宽带集成NV-金刚石磁强计的灵敏度。自旋退相时间，读出保真度，和主机金刚石材料的性能的改进被确定为最有前途的途径，并进行了广泛的研究。我们的分析灵敏度优化建立了一个基础，以刺激发展的新技术，提高固态传感器的性能。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Magnetic-field-learning using a single electronic spin in diamond with one-photon-readout at room temperature
金刚石中的氮空位（NV）中心是具有吸引力的纳米级量子传感器，用于温度、应变、电场，尤其是磁场。然而，低噪声单次读出所需的低温温度使得迄今为止报道的最灵敏的NV磁力测量成为可能，对于关键应用（例如生物传感）是不切实际的。到目前为止，克服室温下的噪声读出需要重复收集荧光光子，这增加了该过程的时间成本，从而降低了其灵敏度。在这里，我们展示了机器学习如何在室温下处理单个NV中心的噪声读出，每个算法步骤平均只需要一个光子，以与低温实验报告的精度相当的精度感测磁场强度。分析大数据集从NV中心在散装金刚石，我们报告的绝对灵敏度$60$ nT的$^{1/2}$，包括初始化，读出，和计算开销。我们发现，退相时间可以同时估计，并随时间变化的字段可以在室温下动态跟踪。我们的研究结果大大提高了早期单自旋传感器的实用性。
2018-07-25 quant-ph
Purification of an unpolarized spin ensemble into entangled singlet pairs
核自旋系综的动力学极化对于磁共振研究、精密传感和量子信息理论的应用具有重要意义。在这里，我们提出了一个计划，以产生长寿命的单重态对的非极化核自旋系综是偶极耦合到金刚石中的氮空位中心的电子自旋。由NV中心的频繁自旋选择性读出引起的量子力学反作用允许核自旋配对成最大纠缠的单态对。反直觉地，对形成的鲁棒性去相位噪声提高与自旋系综的大小增加。我们还展示了如何配对的核自旋状态允许增强检测能力的NV中心的钻石。
2017-04-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el physics.chem-ph
