Entanglement of dark electron-nuclear spin defects in diamond
多量子比特量子寄存器的一种有前途的方法是使用光学可寻址自旋来控制环境中的多个暗电子自旋缺陷。虽然最近的实验已经观察到与这种暗自旋的相干相互作用的特征，但实现量子信息处理所需的单独控制是一个公开的挑战。在这里，我们展示了与多个P1中心相关的单个暗自旋的初始化，控制和纠缠，这些中心是金刚石中氮空位中心周围自旋浴的一部分。我们实现了投影测量，以准备P1中心的多个自由度-它们的Jahn-Teller轴，核自旋和电荷状态-并利用这些来选择性地访问浴中的多个P1。我们开发了控制和单次读出的核和电子自旋，并使用它来证明两个P1中心的纠缠态。这些结果为利用暗电子核自旋缺陷作为量子比特用于量子传感、计算和网络提供了原理证明。
2020-11-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scanning X-ray Diffraction Microscopy for Diamond Quantum Sensing
理解CVD金刚石中纳米和微米尺度的晶体应变对于金刚石量子技术的进步至关重要。特别是，这种应变的存在及其表征对基于金刚石的量子传感和信息应用以及未来的暗物质探测器提出了挑战，其中入射粒子的方向信息被编码在晶体应变中。在这里，我们利用纳米聚焦扫描X射线衍射显微镜定量测量晶体变形的缺陷，在金刚石具有高的空间和应变分辨率。结合来自多个布拉格角的信息，允许立体三维建模的应变特征的几何形状;衍射结果通过比较验证的应变张量的光学测量的基础上自旋状态相关的光谱系综的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的研究结果表明，应变和空间分辨率足以通过X射线测量晶体应变的暗物质的定向检测，并提供了一个有前途的工具，金刚石生长分析和改进的缺陷为基础的传感。
2022-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Engineering diamond interfaces free of dark spins
The University of Chicago（芝加哥大学）；Pritzker School of Molecular Engineering, The University of Chicago（普林茨克分子工程学院，芝加哥大学）；Materials Science Division, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室材料科学部）；School of Molecular Sciences, Arizona State University（亚利桑那州立大学分子科学学院）；Center for Molecular Engineering, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室分子工程中心）；Department of Physics and Astronomy, University of Iowa（爱荷华大学物理与天文学系）；Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学应用物理系）；Department of Chemistry, The University of Chicago（芝加哥大学化学系）
本文提出通过钛氧化物涂层减少金刚石表面暗自旋密度，提升NV磁传感器的信噪比和相干时间，为量子平台提供新方法。
2025-12-19 cond-mat.mes-hall 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
Mitigating the Transition of SiV$^-$ in Diamond to an Optically Dark State
Walter Schottky Institute and School of Natural Sciences, Technical University of Munich（慕尼黑工业大学瓦尔特·朔特基研究所与自然科学学院）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；Walter Schottky Institute and School of Computation, Information and Technology, Technical University of Munich（慕尼黑工业大学瓦尔特·朔特基研究所与计算、信息与技术学院）
本研究通过共振激光与静态电场结合，实现钻石中SiV⁻态的电荷状态可控，提升量子光子技术的应用潜力。
2025-12-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Local laser heating effects in diamond probed by photoluminescence of SiV centers at low temperature
针对低激发功率下金刚石激光加热效应被忽视的问题，本研究利用SiV色心光致发光探测发现高缺陷导致局部温升，测得热导率远低于单晶金刚石，为低温金刚石热效应表征提供新方案。
2023-06-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Origins of diamond surface noise probed by correlating single spin measurements with surface spectroscopy
金刚石中的氮空位（NV）中心在环境条件下表现出自旋相关的荧光和长的自旋相干时间，使得在量子信息处理和传感中的应用成为可能。表面附近的NV中心可以与外部材料和自旋具有强相互作用，从而实现新形式的纳米级光谱学。然而，NV自旋相干性在表面的100纳米内降低，这表明金刚石表面受到无处不在的缺陷的困扰。以前的工作表征近地表噪声主要依赖于使用NV中心本身作为探针;虽然这具有灵敏度高的优点，但它只能提供有关噪声来源的间接信息。在这里，我们表明，表面光谱方法和单自旋测量可以作为补充诊断，以了解噪声源。我们发现，表面形态是实现可再现的化学终止的关键，并使用这些见解，以实现一个高度有序的，氧终止的表面抑制噪音。我们观察到NV中心在10 nm的表面与相干时间延长了一个数量级。
2018-10-31 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coupling a Surface Acoustic Wave to an Electron Spin in diamond via a Dark State
量子声学是一个新兴的领域，它探索声波与人造原子之间的相互作用及其在量子信息处理中的应用。在这项实验研究中，我们证明了表面声波（SAW）和电子自旋之间的耦合，利用强应变耦合的氮空位中心的激发态，同时避免这些国家的寿命短。SAW与自旋的耦合是通过一个λ型三能级系统进行的，在该系统中，两个基态自旋态通过声子辅助和直接偶极光学跃迁耦合到一个共同的激发态。实现了相干布居俘获和光驱动自旋跃迁。相干布居俘获证明了SAW和电子自旋相干性通过暗态的耦合。光学驱动的自旋跃迁类似于俘获离子系统中的边带跃迁，可以实现自旋和机械自由度的量子控制，并且可能是用于量子计算的类俘获离子固态系统。这些结果为基于自旋的量子声学搭建了实验平台，填补了自旋电子学和量子声学之间的空白。
2016-08-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Tunable Gyromagnetic Augmentation of Nuclear Spins in Diamond
固体中的核自旋由于小的旋磁比而表现出长的相干时间。这种弱的环境耦合是以缓慢的量子门操作为代价的，对于量子信息处理和传感中的许多应用来说，量子门操作应该尽可能快。在这项工作中，我们使用金刚石中的氮空位（NV）中心探测金刚石晶格中的暗顺磁氮缺陷（P1中心）内的核自旋。P1核自旋的旋磁比通过与电子自旋的超精细耦合而增强，从而大大增强了与射频控制场的耦合。然后，我们证明，这种效果可以通过外部磁场的变化进行调谐。我们的工作确定了我们能够实现暗核自旋快速量子控制的制度，并为进一步研究在室温下快速控制长寿命自旋量子比特奠定了基础。
2021-09-28 quant-ph
Algorithmic decomposition for efficient multiple nuclear spin detection in diamond
有效地检测和表征固态宿主中的单个自旋是扩展量子传感和量子信息处理领域的重要步骤。虽然已经使用氮空位（NV）中心的电子自旋证明了金刚石中的几个13C核自旋的选择性检测和控制，但是期望可靠、有效和自动表征方法。在这里，我们开发了一种自动化的算法方法，用于分解光谱数据，以识别和表征钻石中的多个核自旋。我们证明了有效的核自旋识别和准确再现的超精细相互作用组件的虚拟和实验核谱学数据。我们对这种方法进行了系统的分析，并讨论了该方法可以有效检测的每个核自旋的超精细相互作用分量的范围。结果表明，系统的方法，自动检测核自旋与计算方法的帮助下，促进设备的未来可扩展性。
2020-08-19 quant-ph
Nuclear Spin Metrology with Nitrogen Vacancy Center in Diamond for Axion Dark Matter Detection
提出利用金刚石氮空位中心的核自旋进行量子传感以直接探测轴子暗物质，该方法凭借核自旋的长相干时间对$\lesssim 100\,\mathrm{Hz}$宽频范围敏感，并给出了轴子-中子与轴子-质子耦合的探测极限。
2025-04-29 cond-mat.mes-hall hep-ex hep-ph
All-optical formation of coherent dark states of silicon-vacancy spins in diamond
金刚石中的自旋杂质可以成为各种固态量子技术的通用工具，但找到在光子和自旋性质方面都具有足够质量的自旋杂质仍然是这一追求的挑战。硅空位中心由于其自旋可及的光学跃迁和高质量的光谱而引起了人们的广泛兴趣。作为这些性质的补充，自旋相干性对于该中心作为自旋光子量子界面的适用性是必不可少的。在这里，我们报告了利用相干布居俘获在带负电荷的硅空位中心的基态中产生自旋态的相干叠加的全光产生。我们的测量揭示了一个特征的自旋相干时间，T2*，超过250纳秒在4 K。我们进一步研究了声子介导的轨道状态之间的耦合作为不可逆退相干的来源的作用。我们的研究结果表明了利用超快激光脉冲对硅空位自旋进行全光相干控制的可行性。
2014-09-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nonlinear optical charge state switching and pumping to a diamond NV center dark state
University of Calgary（卡尔加里大学）
研究金刚石氮空位（NV）中心光动力学，用纳米腔产生强红外场，发现暗态可通过双光子泵浦至中性NV的\(^4\!A_2\)四重态，给出相关能量和寿命限制，有助于预测NV技术极限。
2026-07-07 cond-mat.mes-hall physics.optics 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
Imaging the local charge environment of nitrogen-vacancy centers in diamond
表征固态自旋缺陷周围的局部内部环境对于利用它们作为外场的纳米级传感器至关重要。这是特别密切相关的情况下，可以表现出复杂的相互作用，内部场和晶格应变之间的相互作用的缺陷系综。以金刚石中的氮空位（NV）中心为研究对象，证明了在低磁场下，局域电场对NV系综的磁共振行为起主导作用。我们介绍了一个简单的微观模型，定量捕获所观察到的光谱与NV浓度跨越两个数量级的样品。出于这种理解，我们提出并实施了一种新的方法，用于金刚石晶格内的单个电荷的纳米级本地化;我们的方法依赖于这样一个事实，即电荷诱导取决于电场方向的NV暗态。
2018-09-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Characterizing Quantum Gates via Randomized Benchmarking
我们描述和扩展的可扩展的随机基准协议提出的物理。106，180504（2011），其提供了一种用于对量子门进行基准测试并估计噪声的门依赖性的方法。该协议允许噪声具有弱的时间依赖性和门依赖性，我们提供了一个充分条件，该协议的适用性方面的噪声的平均变化。我们讨论了如何考虑状态准备和测量误差，并提供了一个完整的证明协议的可扩展性。我们在特殊情况下建立了该协议提供的错误率和使用钻石范数距离测量的错误强度之间的连接。
2012-04-27 quant-ph
Sub-nanometer resolution in three-dimensional magnetic-resonance imaging of individual dark spins
磁共振成像（MRI）通过提供非侵入性三维生物成像而彻底改变了生物医学科学。然而，常规MRI系统中的空间分辨率限于数十微米，这不足以在分子和原子尺度上成像。在这里，我们展示了一种MRI技术，提供了亚纳米空间分辨率在三维空间，与单电子自旋灵敏度。我们的成像方法在环境条件下工作，可以测量无处不在的“暗”自旋，这构成了几乎所有感兴趣的自旋目标，否则无法单独检测。在这项技术中，使用位于金刚石芯片表面附近的单个氮空位（NV）磁力计测量暗自旋的磁量子投影噪声。NV磁力计周围的自旋的空间分布用扫描磁场梯度成像。为了评估NV-MRI技术的性能，我们在金刚石表面及其下方对暗电子自旋的三维景观进行成像，并实现了前所未有的分辨率（横向0.8 nm，垂直1.5 nm）和单自旋灵敏度的组合。我们的测量揭示了金刚石表面上先前未识别的电子自旋，这可能被用作改善NV金刚石传感器附近样品磁成像的资源。这种三维NV-MRI技术可立即应用于各种系统，包括自旋链成像，单个自旋量子位的读出，以及确定生物系统中自旋标签的精确位置。
2014-01-14 cond-mat.mes-hall 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
Charge state transition of spectrally stabilized tin-vacancy centers in diamond
本研究针对金刚石中SnV中心，探究其光谱稳定性与电荷态跃迁机制，明确了激光照射条件对电荷态的影响并结合第一性原理计算建模，为稳定固态量子发射器的制备提供支撑。
2024-12-10 quant-ph
Magneto-optical properties of the neutral silicon-vacancy center in diamond under extreme isotropic strain fields
Wigner Research Centre for Physics（维格纳物理研究中心）；Eötvös Loránd University（罗兰大学）；Budapest University of Technology and Economics, Institute of Physics, Department of Atomics Physics（布达佩斯技术与经济大学物理学院原子物理系）
研究了金刚石中性硅空位中心在极端各向同性应变下的磁光性质，发现其自旋轨道分裂和振动能隙变化，表明其作为对称性保护的应变可调量子发射体的潜力。
2026-02-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Multicone Diamond Waveguides for Nanoscale Quantum Sensing
本文通过将单个NV中心耦合到优化的多锥金刚石纳米柱波导结构，提高了荧光收集效率，显著改善了光学自旋读出的信噪比，并兼容长工作距离光学系统以提升扫描空间分辨率。
2023-06-05 quant-ph
All optical control of a single electron spin in diamond
固态中与类原子杂质相关的单个电子自旋的精确相干控制对于量子信息处理和量子精密测量中的应用是必不可少的。我们展示了全光初始化，快速相干操纵，和读出的电子自旋的带负电荷的氮空位（NV $^-$）中心的金刚石在T $\sim$ 7 K。然后，我们提出了一个新的双暗共振在光谱的一个单独的NV中心的观察。这些技术为新的应用打开了大门，从使用几何量子门对自旋态的鲁棒操纵到量子传感和信息处理。
2014-09-22 quant-ph
Identifying and mitigating charge instabilities in shallow diamond nitrogen-vacancy centers
固态缺陷中的电荷自由度从根本上支撑了电子自旋自由度，这是量子技术的主力。在这里，我们研究了单个近表面的金刚石中的氮空位（NV）中心的电荷态性质，其中NV $^{-}$托管计量相关的电子自旋。我们发现，NV $^{-}$初始化保真度在各个中心之间和随着时间的推移而变化，并且我们通过基于逻辑的初始化减轻了NV $^{-}$初始化保真度降低的有害影响。我们还发现，NV $^{-}$可以在黑暗中闪烁，这损害了自旋测量，但我们在这里提出的测量协议减轻。我们确定隧穿到一个单一的，本地的电子陷阱的电离机制在黑暗中，我们开发NV辅助技术来控制和读出的陷阱电荷状态。我们对NV局部静电环境的理解和掌握将同时指导材料设计，并为NV中心提供新的功能。
2018-10-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Characterizing temperature and strain variations with qubit ensembles for their robust coherence protection
本文提出非平衡回波方法，利用第二个自旋重聚焦核自旋的四极与超精细相互作用变化，在金刚石核自旋系综中实验实现20倍相干时间提升，并理论预测可在25 K温度不均匀性下达到400倍改善。
2022-05-06 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Bright $\mathrm{\textit{ab-initio}}$ photoluminescence of NV+ in diamond
金刚石中带正电荷的氮空位（NV+）中心由于实验上缺乏光学特征，传统上被视为暗态。最近的计算研究表明，它是可能的NV+缺陷有一个激发态过渡相当于带负电荷的（NV-）中心，但没有PL预测已报告到目前为止。我们报告的第一个$\mathrm{\textit{ab-initio}}$计算表明，NV+中心呈现量子发射，在765 nm处具有零声子线和非零跃迁偶极矩，约为NV-的跃迁偶极矩的4倍。我们根据含时密度泛函理论（单重态和三重态E态）计算了多电子态的能级，并使用我们最近开发的频率截止方法，我们预测了完整的PL谱。我们的研究结果表明，这种状态不能被认为是本质上的“黑暗”和电荷特定的猝灭机制应作为缺乏光学活性的实验表征的原因进行调查。
2021-08-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Identifying high performance spectrally-stable quantum defects in diamond
针对金刚石中NV中心光谱扩散及IV族空位复合物工作温度低等问题，本文通过高通量第一性原理筛选，识别出兼具中心对称性、可见光发射等特性的Zn$V^{-2}$等替代量子缺陷。
2025-04-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Engineering and Probing a One-Dimensional Dipolar Spin Ensemble in Diamond
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；California Institute of Technology（加州理工学院）；Stanford University（斯坦福大学）；Harvard University（哈佛大学）；Boston University（波士顿大学）；Max-Planck-Institut für Physik Komplexer Systeme（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）
本研究在金刚石中工程化并表征了由P1中心构成的准一维偶极自旋链，利用相关谱学探测其自旋动力学，为低维量子自旋系统提供了材料学途径。
2026-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Single-photon-emitting optical centers in diamond fabricated upon Sn implantation
本文报道了单晶金刚石中锡离子注入和退火后发光缺陷的形成。的相关光谱特征的光学中心（在593.5 nm，620.3 nm，630.7 nm和646.7 nm处的发射峰）归因于Sn相关的缺陷，通过其光致发光（PL）强度与注入注量的相关性。通过Hanbury-Brown-Twiss干涉测量法获得了Sn相关缺陷的二阶自相关发射函数，并对Sn相关缺陷进行了识别和表征。作为激发激光功率的函数的单光子发射制度的调查显示，锡相关的缺陷是基于三能级系统与6 ns的辐射衰减寿命。在一小部分的研究中心，闪烁的PL发射的观察是一个黑暗状态的存在表示。此外，从激发辐射的偏振与约45%的对比度的吸收依赖性进行了测量。这项工作揭示了与金刚石中的IV族杂质相关的新光学中心的存在，其具有与已知的Si-V和Ge-V发射体相似的光物理性质，从而从基本和应用的角度提供了感兴趣的结果。
2017-09-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High fidelity two-qubit quantum state tomography of Electron-14N hybrid spin register in diamond
本文提出了一种基于Rabi实验的量子态层析新方法RAQST和RPQST，无需幺正操作即可高保真度表征金刚石中NV中心14N核自旋的双量子比特纯态。
2024-06-04 quant-ph
Electrical readout microwave-free sensing with diamond
本研究提出基于金刚石氮空位中心基态交叉弛豫的光电读出方法，实现无微波传感和电子自旋共振谱测量，并展示基于基态能级反交叉的磁力计，具有良好检测效率和磁灵敏度，为探测光学惰性缺陷和表征局部自旋环境提供新方案。
2022-01-05 physics.app-ph quant-ph
Low-control and robust quantum refrigerator and applications with electronic spins in diamond
我们提出了一个通用的协议，低控制制冷和测温的热量子比特，它可以实现使用电子自旋钻石。制冷是由一个探针，由相互作用的自旋网络。该协议涉及两个操作：（i）探针的自由演化;以及（ii）探针中的一个自旋与我们希望冷却的热量子位之间的交换门。我们表明，如果探针的初始状态落在一个合适的范围内，和探针的自由演化都是unital和保存在$z$方向的激发，那么冷却协议将总是成功的，与效率取决于自旋退相率和交换门保真度。此外，在探测器冷却许多量子位之后测量探测器可以估计它们的温度。我们提供了一个具体的例子，探针是海森堡自旋链，并建议使用电子自旋在钻石的物理实现。在这里，探针由氮空位（NV）中心组成，而热量子位是暗自旋。通过使用一种新的脉冲序列，可以使NV中心链根据海森堡哈密顿量演化。这一提议允许一系列应用，例如保持在样品上的暗点中的光敏分子的基于NV的核磁共振，并且它为量子热力学，环境辅助传感和多体物理学的研究开辟了可能性。
2018-04-30 quant-ph
All-optical initialization, readout, and coherent preparation of single silicon-vacancy spins in diamond
金刚石中的硅空位色心（$\mathrm{SiV}^-$）因其独特的光学性质而引起人们的关注。它表现出光谱稳定性和不可分辨性，有助于有效产生能够证明量子干涉的光子。在这里，我们展示了高保真光学初始化和读出的电子自旋在一个单一的$\mathrm{SiV}^-$中心与$T_1=2.4\pm0.2$ ms的自旋弛豫时间。相干布居捕获（CPT）是用来演示相干制备的暗叠加态的自旋相干时间为$T_2^\star=35\pm3$ ns。这从根本上受到轨道弛豫的限制，对这一过程的理解为通过与声子的工程相互作用来扩展相干性开辟了道路。这些结果确立了$\mathrm{SiV}^-$中心作为固态自旋光子界面。
2014-10-06 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Imaging magnetic flux trapping in lanthanum hydride using diamond quantum sensors
Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所与凝聚态物理国家实验室）；School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学物理科学学院）；Department of Physics, Hefei University of Technology（合肥工业大学物理系）；Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research（高压科学和技术先进研究中心）
本研究通过以氖气为传压介质将金刚石NV色心工作压力提升至近200 GPa，观测到LaH$_{9.6}$的迈斯纳效应与磁通俘获，为氢化镧超导性提供了超高压下的空间分辨实验证据。
2025-10-23 cond-mat.supr-con quant-ph
Probing spin dynamics on diamond surfaces using a single quantum sensor
理解量子比特环境的动力学对于实现用于量子信息处理和计量的实用系统是必不可少的。我们利用金刚石中的单氮空位中心来研究金刚石表面无序自旋系综的动力学。具体来说，我们调整“暗”表面自旋的密度，以询问它们对浅NV中心自旋量子比特的退相干的贡献。当平均表面自旋间距超过NV中心深度时，我们发现表面自旋对NV中心自由感应衰减的贡献可以用一个变幂n的拉伸指数来描述。我们表明，这些意见是一致的模型，其中表面自旋的空间位置是固定的每次测量，但其中一些重新配置之间的测量。特别是，我们观察到一个深度相关的临界时间与动态过渡从高斯（n=2）衰变到n=2/3，并表明，这种过渡产生于许多遥远的自旋和强耦合到几个近端自旋在表面的小衰变贡献之间的竞争。这些观察结果表明，本地传感器的潜力，了解复杂系统，并阐明了改善和控制自旋量子位在表面的途径。
2021-03-23 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coherent control of solid-state defect spins via patterned boron-doped diamond circuit
本文提出在金刚石内部单片集成图案化硼掺杂金刚石微波电路，实现对氮-空位自旋的相干控制，并验证其对自旋弛豫时间无扰动，为紧凑鲁棒的量子传感与信息处理平台开辟新路径。
2025-08-16 physics.app-ph quant-ph
Micrometer-scale Magnetic Imaging of Geological Samples Using a Quantum Diamond Microscope
地质样品中的剩余磁化强度可以记录过去行星磁场的强度和方向。传统上，这种磁化是通过测量毫米到厘米大小的大体积样品的净磁矩来分析的。然而，地质样品通常在亚毫米尺度上具有矿物学和结构异质性，只有一小部分铁磁颗粒具有感兴趣的剩磁。因此，在这种情况下表征这种磁化需要能够以精细空间尺度和高灵敏度对磁场成像的技术。为了应对这一挑战，我们开发了一种新的仪器，基于金刚石中的氮空位中心，它能够直接成像的磁场，由于反射和感应磁化，以及光学成像，室温地质样品的空间分辨率接近光学衍射极限。我们描述了这种设备的工作原理，我们称之为量子金刚石显微镜（QDM），并报告了其优化的图像面积归一化磁场灵敏度（20 μ T.um/Hz ^1/2），空间分辨率（5 μ m），视场（4 mm），以及这些参数之间的权衡。我们还在不同的操作模式下对设备执行绝对磁场校准，包括三轴（矢量）和单轴（投影）磁场成像。最后，我们使用QDM获得几个陆地和陨石岩石样品的磁性图像，证明其能够解决空间上不同的人口的铁磁载体。
2017-07-20 quant-ph
Optical switching of resonance fluorescence from a single germanium vacancy color center in diamond
可扩展的量子光子网络需要量子发射器的相干激发。然而，许多固态系统可以经历到抑制荧光的暗搁置状态的转变。在这里，我们证明了使用弱非共振激光的受控门控，共振激发可以恢复和放大单个锗空位（GeVs）。采用门控共振激发，我们实现了光学稳定的共振荧光的GeV中心。我们的研究结果是至关重要的部署钻石色心作为可靠的积木可扩展的固态量子网络。
2019-04-10 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Fast optoelectronic charge state conversion of silicon vacancies in diamond
本文通过结合发光与光电流光谱并调控表面电极电势和激发波长，实现了金刚石中硅空位色心在SiV$^-$与SiV$^{2-}$之间的MHz速率、90%对比度电荷态转换，并揭示了相关光电导缺陷。
2023-10-18 physics.app-ph quant-ph
Autonomous dissipative Maxwell's demon in a diamond spin qutrit
工程动力学地图相结合的相干和耗散变换的量子态与量子测量，已经证明了一些技术应用，并有望成为一个重要的工具，在量子热力学过程。在这里，我们利用NV中心的有效开自旋quutrit动力学的控制，实验上实现了一个自主反馈过程（麦克斯韦妖）与可调耗散强度。反馈是由随机测量事件，条件下的quutrit随后的耗散演化。自治麦克斯韦恶魔的功效是量化的实验特征的波动的能量交换系统与环境的广义佐川上田崎关系耗散动力学。这为实现一类新的麦克斯韦恶魔开辟了道路，这可能对量子传感和量子热力学设备有用。
2022-04-11 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph quant-ph
Sensing single molecule magnets with nitrogen vacancy centers
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；University of Stuttgart（斯图加特大学）
利用钻石中的氮空位中心作为高灵敏度磁场传感器，探测钴基单分子磁体的磁噪声特性及其磁性行为。
2026-01-13 quant-ph
Sub-GHz linewidths ensembles of SiV centers in a diamond nano-pyramid revealed by charge state conversion
生产具有嵌入式寿命有限发射器的明亮集合的纳米结构是一项挑战，在广泛的物理科学中具有潜在的高影响力。在这项工作中，我们展示了受控的电荷转移到和从暗态表现出非常长的寿命在高密度合奏的SiV中心托管在CVD生长的金刚石纳米金字塔。此外，使用共振光致发光激发和频率选择性持续烧孔技术，利用这种电荷状态转移的组合，我们可以证明接近寿命有限的线宽从SiV中心。这种在远低于$λ^3$的体积中具有数千个明亮的窄线宽发射器的纳米结构将用于相干光-物质耦合、用于生物传感和纳米级温度测量。
2019-09-15 cond-mat.mes-hall 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
Characterizing the quantum properties of ultralight dark matter -- an open quantum systems approach
本文提出开放量子系统框架并结合光学相干性量子理论，以表征超轻玻色子暗物质场的统计性质，支持从关联测量中提取宇宙学与星系并合信息。
2024-06-14 astro-ph.IM hep-ph quant-ph
Optically Induced Polarization and Depolarization of an Electron Spin in a Nitrogen-Vacancy Center of Diamond Nano-crystals
脉冲激光激发使金刚石中氮空位中心的发光随脉冲能量的增加而意外地减弱。在带负电荷和中性的中心都观察到这种减少，并且是由两种类型的中心的发光寿命缩短引起的。在黑暗中，发光在10微秒的时间尺度上没有显示出任何恢复，但只要三个低强度脉冲就可以使发光恢复到先前的更亮状态。外部磁场可降低效应的幅度。这些现象的基础上的光学极化和电子自旋的去极化的一种可能的机制。
2011-08-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dissipative entanglement of solid-state spins in diamond
在固态自旋之间产生稳健的纠缠是量子信息处理和精密传感应用的关键。我们利用电子激发态的快速光衰减，在超精细耦合电子核自旋之间产生这种纠缠。在短寿命的激发态存在自发发射的情况下，光场和微波驱动场的暗态干涉效应导致了纠缠稳态的耗散形成.我们表明，耗散纠缠产生的任何初始状态条件的自旋和弹性的外部场的波动。我们分析了该计划的连续和脉冲驱动领域中存在的现实噪声源。
2016-09-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quasi-Floquet prethermalization in a disordered dipolar spin ensemble in diamond
该研究在金刚石强相互作用偶极自旋系综中观测到Floquet预热化，并扩展至多频不可公度的准Floquet驱动，揭示预热化对驱动场平滑性高度敏感。
2023-09-29 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall quant-ph
Probing charge dynamics in diamond with an individual color center
为了在量子技术中充分利用固体色心，控制它们的电荷状态是必要的。然而，宽带隙半导体中深缺陷的微观电荷动力学是复杂的，并且仍有许多未知之处。在这里，我们利用单个氮空位（NV）中心的Single Shot电荷状态读出来探测金刚石中周围缺陷的电荷动力学。我们表明，NV中心电荷状态可以通过捕获的缺陷的光学照明产生的孔转换许多微米远。利用这种方法，我们研究了硅空位（SiV）中心的光电荷转换，并提供了SiV中心在光照射下的暗态为SiV 2-的证据。这些测量结果表明，载流子的产生，运输和捕获是重要的考虑因素，在量子器件的设计和实施的色心，并提供了一种新的方式来探测和控制钻石中的电荷动力学。
2021-06-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurement-device-independent quantum key distribution with nitrogen vacancy centers in diamond
存储器辅助的测量设备无关的量子密钥分发（MA-MDI-QKD）最近被提出作为实现量子中继器的一个可能的中间步骤。尽管它放宽了对量子存储器的一些要求，但与设置和协议的布局相关的存储器的选择对我们击败现有无存储器系统的能力有明显的影响。在这里，我们研究了氮空位（NV）中心作为量子存储器在MA-MDI-QKD中的适用性。我们特别表明，如果我们想超越无记忆QKD系统，NV中心需要适度的腔增强。使用系统参数最可实现的今天的国家的最先进的，然后，我们预计一些总的关键速率优势的距离范围在300公里和500公里之间的空腔增强NV中心。我们的分析占的主要来源的错误，包括暗电流，通道损耗，和量子存储器的退相干。
2017-03-29 quant-ph
Sub-optical resolution of single spins using magnetic resonance imaging at room temperature in diamond
最近，人们对将磁共振成像（MRI）技术向下扩展到具有亚光学波长分辨率的单自旋水平产生了很大兴趣。然而，单个自旋的图像的信噪比通常较低，这需要长的采集时间和低温来实现高分辨率。一个例外是金刚石中的氮空位（NV）色心，其自旋状态可以在室温下用光学方法检测。在这里，我们将MRI应用于磁等效NV自旋，以便以远低于读出光的光波长的分辨率来解决它们。此外，使用MRI的微波版本，我们实现了共面带状线尺寸的1/270的分辨率，共面带状线定义了用于激发跃迁的微波的有效波长。这种技术最终可以扩展到成像的大量NV在共焦点，并可能通过其相互磁相互作用的NV自旋附近的暗自旋的图像。
2010-03-29 quant-ph
High fidelity quantum state tomography of electron-$^{14}$N nuclear hybrid spin register in diamond using Rabi oscillations
Hasselt University（荷语哈瑟尔特大学）；IMEC（imec研究所）
提出基于拉比振荡的量子态层析（RQST）方法，在金刚石NV色心的电子和核自旋单比特态上实现高保真度表征，平均保真度达0.995。
2026-06-29 quant-ph
Characterizing spin-bath parameters using conventional and time-asymmetric Hahn-echo sequences
通常由多脉冲控制序列执行的自旋浴噪声表征对于理解固态中的大多数自旋动力学是必不可少的。在这里，我们从理论上提出了一种方法，用于提取具有已知频谱的噪声源的特征参数，使用单个修改的哈恩回波序列。通过改变脉冲的施加时间，测量可寻址自旋的相干曲线，并将衰减系数拟合到我们导出的理论函数，我们提取表征噪声的物理性质的参数。假设一个洛伦兹噪声谱，我们说明了这种方法提取的相关时间浴的氮顺磁性杂质在金刚石，其耦合强度的氮空位中心的可寻址的自旋。考虑到具有$5\%$测量误差的实际实验场景，可以以$\sim 10 \%$的精度提取参数。该方案对于具有比非均匀相干时间（$T_2^*$）大两个数量级的自然均匀相干时间（$T_2$）的样本是有效的，并且当进一步平均不相关时减轻技术噪声。这种单脉冲噪声表征除了有可能将实验时间减少一个数量级之外，还可以最大限度地减少长时间尺度漂移和累积脉冲缺陷和数值误差的影响。
2020-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-optical preparation of coherent dark states of a single rare earth ion spin in a crystal
基于单个固态的量子比特的全光寻址和控制允许量子设备的可扩展架构，例如量子网络和量子模拟器。到目前为止，量子位的全光学寻址仅针对钻石和量子点中的色心进行了演示。在这里，我们演示了一个单一的稀土离子在固体中，即铈离子在钇铝石榴石（YAG）的相干暗态的产生。暗态是在相干布居俘获条件下形成的。此外，高分辨率的光谱研究的原生和注入单Ce离子已被执行。他们揭示了基态和激发态的自旋子能级之间狭窄且光谱稳定的光学跃迁，表明将单光子与铈离子的单电子自旋相结合的可行性。
2015-06-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Machine-learning-enhanced quantum sensors for accurate magnetic field imaging
The University of Tokyo（东京大学）
磁场的局部检测对于表征纳米和微米材料至关重要，并且已经使用各种扫描技术甚至金刚石量子传感器来实现。金刚石纳米颗粒（纳米金刚石）提供了一个有吸引力的机会，以实现高空间分辨率，因为它们可以很容易地接近目标在几个10 nm内，只需将它们附着到其表面。这种随机取向的纳米金刚石系综（NDE）的物理模型是可用的，但实际实验条件的复杂性仍然限制了推导磁场的准确性。在这里，我们展示了具有1.8 $μ$ T高精度的磁场成像，结合了NDE和机器学习，而无需任何物理模型。我们还发现了磁场方向的NDE信号的依赖性，建议潜在的应用矢量磁强计和现有模型的改进。我们的方法进一步丰富了NDE的性能，以实现可视化原子层材料中的介观电流和磁性的准确性，并扩展了在任意形状的材料，包括活生物体中的适用性。这一成就将连接机器学习和量子传感，以实现精确测量。
2022-02-01 cond-mat.mtrl-sci cs.LG quant-ph
Fidelity and quantum geometry approach to Dirac exceptional points in diamond nitrogen-vacancy centers
National Sun Yat-Sen University（国立中山大学）；National Center for Theoretical Sciences（国家理论科学中心）；University of Kent（肯特大学）；National Yang Ming Chiao Tung University（国立阳明交通大学）
本文通过保真度 susceptibility 探测金刚石氮化物空位中心中的狄拉克奇点，揭示其几何奇点特性及各向异性行为，为量子控制与传感应用提供新视角。
2026-04-01 cond-mat.mes-hall hep-th physics.app-ph
