Spin Readout Techniques of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
金刚石氮空位（NV）中心由于其光寻址能力和室温自旋相干性而成为量子信息科学的领先平台。然而，NV中心的自旋状态的测量通常需要在许多周期上求平均以克服噪声。在这里，我们回顾了几种提高读出性能的方法，并强调了未来的研究途径，可以在室温下实现单次电子自旋读出。
2018-09-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient readout of a single spin state in diamond via spin-to-charge conversion
固态中与类原子杂质相关的单个电子自旋的有效读出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。我们提出了一种新的方法，有效地读出金刚石中的氮空位（NV）中心的自旋。该方法是基于转换的NV的电子自旋状态的电荷状态分布，然后由单次拍摄读出的电荷状态。转换是通过室温下金刚石中的自旋相关光电离过程实现的。在纳米制造的金刚石光束中使用NVs，我们证明了所得到的自旋读出噪声在自旋投影噪声水平的三个因子内。这种技术的纳米磁传感的应用进行了讨论。
2014-10-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Modular interface for efficient optical readout of diamond quantum memory at cryogenic temperatures via single-mode optical fibers
该研究提出一种结构隔离的模块化接口，用于金刚石色心量子存储器，在共聚焦体积大幅缩减下仍能通过单模光纤高效收集光子，为可扩展量子基础设施奠定基础。
2025-10-14 quant-ph
Single-Shot Readout and Weak Measurement of a Tin-Vacancy Qubit in Diamond
本研究实现金刚石中SnV⁻量子比特的高保真单次读出与弱测量，验证其光学读出与快速自旋控制的兼容性，推动相关量子技术发展。
2024-10-08 quant-ph
Impact of Photoelectric Readout Noise on Magnetic Field Sensitivity of NV Centers in Diamond
Ulm University（乌尔姆大学）；Diatope GmbH（Diatope有限公司）；Hasselt University（哈瑟尔特大学）；IMEC（imec研究院）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）
研究光电信号读出噪声对钻石中氮空位中心磁感应灵敏度的影响，通过单个和集体NV中心的光学和光电读出方法评估灵敏度，发现光电噪声限制的磁感应灵敏度可比光学测量高一个数量级。
2026-04-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Robust optical readout and characterization of nuclear spin transitions in nitrogen-vacancy ensembles in diamond
金刚石中的核自旋系综是量子传感应用的有希望的候选者，包括旋转传感。在这里，我们进行了表征的光学检测核自旋跃迁与金刚石氮空位（NV）中心内的14 N核自旋。我们观察到核自旋相关的荧光与光学检测到的14 N核拉比振荡的NV电子自旋的对比度。利用Ramsey谱，我们分别研究了77.5-420 K和350-675 G范围内核自旋跃迁的温度和磁场依赖性。在T=297 K时，d |Q| /dT=-35.0（2）Hz/K。这里报告的温度和磁场依赖性对于旋转传感等量子传感应用以及潜在的量子信息处理应用很重要。
2019-12-31 quant-ph
Long-exposure Camera Readout for Coherent Control of Nitrogen-Vacancy Center Spins in Diamond
本文利用自建相机装置实现了金刚石NV中心自旋的完全相干控制，在500微秒长曝光下获得12%高对比度，并基于弱激光照明机制解决了读出与曝光时间冲突，为宽场QNS构建及应用提供指导。
2025-09-15 quant-ph
Purcell-enhanced optical spin readout of Nitrogen-Vacancy centers in diamond
金刚石中的氮空位色心是一种很有前途的量子固体体系，其应用范围从量子信息处理到磁传感。NVs最有用的特性之一是能够在室温下光学读取它们的基态自旋投影。本文对Purcell增强NV光耦合进行了理论分析，通过理论分析找到了使光学自旋态读出的信噪比最大的最佳参数。我们得出结论，自发发射（通过Purcell增强）和光激发的组合增加可以显着增加读出SNR。
2015-05-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient electrical spin readout of NV- centers in diamond
利用脉冲光电离技术，对金刚石中NV心系综的相干自旋操纵和回波形成进行了电探测，实现了高达17%的对比度。基本的自旋相关的电离动力学进行了实验研究，并比较蒙特卡罗模拟。这允许识别优化对比度和灵敏度的条件，其与光学检测相比是有利的。
2016-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Frequency limits of sequential readout for sensing AC magnetic fields using nitrogen-vacancy centers in diamond
本文用顺序读出法实验测定金刚石NV中心AC磁传感的频率极限，揭示高频受Rabi频率、低频受光学再极化时间限制，并在1 MHz下达到229 pT/√Hz灵敏度。
2023-08-21 quant-ph
Photoelectrical readout and Ramsey interferometry of single shallowly implanted NV centers in diamond
Ulm University（乌尔姆大学）；Diatope GmbH（Diatope有限公司）；Hasselt University（哈瑟尔特大学）；IMEC（imec研究所）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）
研究金刚石中浅注入NV中心的光电读出，通过对其电子自旋进行相干控制，实现了光电测量的拉姆齐 $T_2^*$ 与传统荧光读出一致，且发现过生长可抑制背景光电流，为芯片集成等纳米级传感和自旋寄存器提供可行途径。
2026-07-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Real-Time Charge Initialization of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers for Enhanced Spin Readout
量子比特性能的一个常见障碍是不完美的状态初始化。在金刚石氮空位（NV）中心的情况下，初始化保真度受到光泵浦期间缺陷电荷状态波动的限制。在这里，我们使用实时控制来确定性地初始化NV中心在室温下的充电状态。我们证明了99.4 $\pm$ 0.1%的最大电荷初始化保真度，并提出了一个定量模型的初始化过程，允许系统级优化的自旋读出信噪比。即使考虑到与初始化序列相关联的开销，将电荷初始化保真度从接近1的75%的稳态值增加到允许实验中的两倍加速，同时保持相同的信噪比。结合基于自旋-电荷转换的高保真读出，实时初始化可实现传统方法的20倍加速，从而使我们的单NV中心自旋的交流磁灵敏度达到1.3 nT/Hz $^{1/2}$。实时控制方法对于具有NV中心的量子传感应用以及探测电荷相关物理立即有益，并且它将促进多量子比特系统上的量子反馈控制协议。
2019-07-20 quant-ph
Silicon-Vacancy Spin Qubit in Diamond: A Quantum Memory Exceeding 10 ms with Single-Shot State Readout
金刚石中带负电荷的硅空位色心（SiV $^-$）是近年来出现的一种很有前途的量子光子学体系。其受保护的光学跃迁能够创建不可区分的发射器阵列和确定性耦合到纳米光子器件。尽管如此，迄今为止实现的与其电子自旋相关的最长相干时间（$\sim 250$ ns）受到声学声子耦合的限制。我们证明了相干控制和抑制声子诱导的退相的SiV $^-$电子自旋相干性的五个数量级的温度低于500 mK的操作。通过沿SiV $^-$对称轴对齐磁场，我们证明了自旋守恒的光学跃迁和单次读出的SiV $^-$自旋与89%的保真度。使用微波场对SiV $^-$自旋进行相干控制，以证明在100 mK下自旋相干时间$T_2$为13 ms，自旋弛豫时间$T_1$超过1 s。这些结果使SiV $^-$成为实现可扩展量子网络的有前途的固态候选者。
2017-12-04 quant-ph
Photoelectric detection of single spins in diamond by optically controlled discharge of long-lived trap states
本研究提出基于长寿命陷阱态光控放电的光电自旋读出方案CCDMR，以金刚石NV中心为模型实现单自旋高保真电学读出，为固态自旋量子比特探测提供兼具可扩展性与稳定性的新技术。
2025-10-29 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
Dual-channel lock-in magnetometer with a single spin in diamond
提出了一种利用金刚石中氮空位色心的单自旋进行含时磁场的双通道锁定磁测量的实验方法。我们将多脉冲量子传感序列与相位估计算法，以实现线性化的字段读出和恒定的，几乎消相干限制的灵敏度在很宽的动态范围内。此外，我们证明了明确的重建的幅度和相位的磁场。我们表明，我们的技术可以应用于测量随机相位跳变的磁场，以及相敏读出的频率。
2014-07-02 quant-ph
Enhanced spin state readout of Nitrogen-Vacancy centers in diamond using IR fluorescence
近年来，金刚石中的氮空位（NV）中心已被用于从纳米级NMR到量子计算的广泛应用。这些应用强烈依赖于NV中心的自旋状态的有效读出，这是目前有限的。在这里，我们提出了一种方法来读取NV中心的自旋状态，使用单重态流形中的弱光学跃迁。我们数值计算了使用这种技术从每个自旋状态收集的光子数，并表明自旋读出信噪比的数量级增强是预期的，使单次自旋读出触手可及。因此，该方法可以导致普遍存在的基于NV的感测应用的灵敏度的数量级增强，并且消除了将NV用于量子信息处理的主要障碍。
2019-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-Fidelity Single-Shot Readout and Selective Nuclear Spin Control for a Spin-1/2 Quantum Register in Diamond
本文提出将金刚石中的锗空位（GeV）中心作为量子网络节点，利用相关光谱学在复杂自旋环境中实现单个核自旋的间接控制，并演示了GeV中心与邻近13C核自旋的高保真度单次读出，为前馈纠错和大规模电-核寄存器构建奠定基础。
2025-11-03 quant-ph
Design of a quantum diamond microscope with efficient scanning confocal readout
本文提出光片共焦量子金刚石显微镜（LC-QDM），结合光片照明与激光扫描共焦技术，利用金刚石氮空位缺陷实现高分辨率高速3D量子传感，无需薄NV层芯片，在激光功率受限场景下性能优势显著。
2025-03-01 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Near-Infrared-Assisted Charge Control and Spin Readout of the Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
我们利用非线性吸收设计的全光学协议，提高了钻石中的氮空位（NV）中心的电荷态初始化和自旋读出。平衡电荷态的非单调变化作为可见光和近红外（NIR）光功率的函数归因于竞争的多光子吸收过程。在某些方案中，紫外线照射将NV的负电荷状态的稳态群体增强到90%以上。在更高的NIR强度下，单线态歧管的选择性电离促进了自旋-电荷转换的协议，其显著增强了自旋读出保真度。我们证明了一个6倍的增加，在信噪比的单次自旋测量和预测的数量级的实验加速超过传统的方法，新兴的应用在磁力测量和量子信息科学使用NV自旋。
2016-08-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Charge stability and charge-state-based spin readout of shallow nitrogen-vacancy centers in diamond
本文研究浅层NV中心的电荷态稳定性，提出并验证了自旋-电荷转换读出方法，将读出噪声降低5-6倍，并发现甘油涂覆可改善电荷稳定性，适用于纳米尺度传感。
2023-11-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Polarization and readout of coupled single spins in diamond
研究了室温下金刚石中单个氮空位中心与邻近单个氮缺陷的耦合。磁偶极耦合导致氮-空位中心的电子自旋共振频率分裂，允许读出单个氮电子自旋的状态。在磁场中，当两个中心的自旋分裂相同时，我们观察到氮电子自旋的强极化。偏振的量可以通过光激发功率来控制。我们结合极化和读出的时间分辨泵浦探测测量，以确定一个单一的氮电子自旋的自旋弛豫时间。最后，我们讨论了氮核自旋的超精细诱导极化的迹象。
2006-08-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
Single-shot readout of an electron spin in silicon
微电子器件中使用的硅晶体管的尺寸正在缩小到量子效应变得重要的程度。虽然这对微处理器的进一步扩展提出了重大挑战，但它为基于自旋的量子计算机和自旋电子器件的形式提供了根本性创新的潜力。Si中的电子自旋可以表示具有长相干时间的良好隔离的量子比特，这是因为弱的自旋-轨道耦合以及从体晶体中消除核自旋的可能性。然而，Si中单个电子的控制已被证明具有挑战性，并且迄今为止阻碍了对单个自旋的观察和操纵。在这里，我们报告的第一个演示的单次拍摄，时间分辨读出的电子自旋在硅。这已经在由耦合到与当前微电子技术兼容的金属氧化物半导体单电子晶体管的注入磷供体组成的设备中执行。在低于2 T的磁场下，我们观察到自旋寿命接近1秒，并且自旋读出保真度优于90%。硅中的高保真单次自旋读出为新一代量子计算和自旋电子器件的开发开辟了道路，这些器件使用半导体行业中最重要的材料制造。
2010-05-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electrical Readout of Spin Environments in Diamond for Quantum Sensing
本文提出全电学PC-DEER方法，将NV色心光电流读出扩展至自旋浴控制与相干操控，实现P1和NVH缺陷分辨及噪声表征，为可集成固态量子传感提供无光学方案。
2025-09-30 physics.atom-ph 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
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
High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion
量子比特的高保真单次读出是容错量子计算和可扩展量子网络的关键组成部分。近年来，金刚石中的氮空位（NV）中心已经上升为上述应用的领先平台。目前NV电子自旋的单次读出依赖于低温下的共振荧光方法。然而，自旋翻转过程中断了光学循环转变，因此限制了读出保真度。在这里，我们介绍了一种自旋-电荷转换方法的近红外（NIR）光辅助抑制自旋翻转错误。该方法利用低温共振激发的高自旋选择性和光电离的高灵活性。在高应变和快速自旋翻转过程中，我们实现了NV中心电子自旋的单次读出的总体保真度$>$ 95%。随着进一步的改进，该技术有可能实现超过容错阈值的自旋读出保真度，并且还可能在集成光电子器件上找到应用。
2020-09-29 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Dispersive readout of cavity-coupled solid-state sensor with near-unity readout fidelity
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Honda Research Institute USA, Inc.（本田美国研究所）；U.S. Army DEVCOM Army Research Laboratory（美国陆军DEVCOM陆军研究实验室）
本文提出一种色散腔量子电动力学读出技术，克服氮空位中心系综传感器的自旋饱和与功率展宽限制，实现接近单位逆读出保真度和飞特斯拉级灵敏度，并展示随自旋数N的1/N灵敏度标度。
2026-05-24 quant-ph
Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond
本研究实现了对金刚石中单个十能级 ${}^73$Ge 空位核自旋 qudit 的超精细结构观测、核自旋读出，并在微秒尺度上以高达约 84% 的保真度实现了任意态的光控初始化，
2024-02-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Vector magnetic field sensing via multi-frequency control of nitrogen-vacancy centers in diamond
金刚石中的氮空位（NV）中心系综是一种很有吸引力的探测小磁场的器件。特别地，通过利用NV中心由于对称性而可以沿着四个不同轴之一对准的事实，可以提取关于矢量磁场的信息。然而，在常规方案中，NV中心的低读出对比度显著降低了矢量磁场感测的灵敏度。在这里，我们提出了一种使用多频率控制来提高NV中心的矢量磁场感测的灵敏度的方法。由于NV中心的塞曼能量依赖于轴的方向，我们可以使用不同频率的微波脉冲独立地控制四种类型的NV中心。这允许我们将每个NV中心用于并行的矢量场检测，这有效地增加了读出对比度。我们的研究结果铺平了道路，实现一个实用的金刚石基矢量场传感器。
2017-06-15 quant-ph
Robust control of individual nuclear spins in diamond
孤立的核自旋为量子信息处理系统提供了一个有前途的构建模块，但它们的弱相互作用往往阻碍制备、控制和检测。超精细耦合到近端电子自旋可以增强这些过程中的每一个。使用氮空位中心的电子自旋作为中介，我们展示了金刚石中13C，15N和14N核自旋的鲁棒初始化，单量子位操作和直接光学读出。这些结果为金刚石中基于氮核自旋的量子信息结构的研究奠定了基础。
2009-09-22 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
Enhancing Optical Readout from Diamond AFM Tips for Quantum Nanosensing
金刚石中的色心是量子纳米传感应用的有希望的候选者。光信号的有效收集是实现高灵敏度和高分辨率的关键，但它受到收集光学器件的限制。将色心嵌入金刚石微结构中可以帮助提高收集效率，但通常需要具有挑战性的制造和集成。在这里，我们调查的光致发光（PL）的硅空位（SiV）中心在市售的原子力显微镜（AFM）的金刚石金字塔（DP）的提示。我们发现DP几何结构有效地将DP顶点发射的PL引导到底部，在那里我们实验证明，与其他方向相比，PL收集增强了8倍。我们的实验观察是在良好的协议与数值模拟使用时域有限差分（FDTD）方法。我们的研究结果表明，原子力显微镜提示可能是一种经济，高效和直接的方式实现基于颜色中心的纳米传感，因为它们提供了增强的灵敏度和易于集成与现有的原子力显微镜平台。
2018-07-09 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Vector Magnetometry Using Shallow Implanted NV Centers in Diamond with Waveguide-Assisted Dipole Excitation and Readout
本文提出一种将浅层注入NV色心系综与激光写入波导阵列集成的片上矢量磁力计，实现易操作的波导辅助激发与读出，并通过多晶体学取向重建完整矢量磁场。
2025-02-04 physics.optics quant-ph
Squeezing for dispersive readout of NV magnetometer
Russian Quantum Center（俄罗斯量子中心）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理工程技术学院）；P.N.Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Science（俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所）；LLC Sensor Spin Technologies（传感器自旋技术有限责任公司）
本文针对金刚石NV磁力计色散读出系统，分析其噪声与损耗源，提出采用探测微波场压缩态的方案，可在室温下提升器件性能。
2026-08-11 quant-ph
Absorption-Based Diamond Spin Microscopy on a Plasmonic Quantum Metasurface
金刚石中的氮空位（NV）中心已成为领先的量子传感器平台，通过光学检测磁共振（ODMR）将卓越的灵敏度与纳米级空间分辨率相结合。由于基于荧光的ODMR技术受到低光子收集效率和调制对比度的限制，因此对NV单重态跃迁的基于红外（IR）吸收的读出的兴趣越来越大。IR读出可以提高对比度和收集效率，但由于NV单重态的吸收截面小，因此它迄今为止仅限于体样品中的长光程几何形状。在这里，我们通过引入共振金刚石金属电介质超颖表面来放大IR吸收，该超颖表面实现了Q ~ 1，000的品质因数。这种“等离子体量子传感超表面”（PQSM）将局部表面等离子体极化激元共振与远程瑞利-伍德异常模式相结合，并实现场局部化和传感体积之间的期望平衡，以优化自旋读出灵敏度。从组合的电磁和速率方程建模，我们估计低于1 nT/Hz $^{1/2}$每微米$^2$的敏感区域使用的数字为当今的NV金刚石样品和制造技术。所提出的PQSM实现了一种新形式的显微ODMR传感，其具有接近自旋投影噪声限制灵敏度的红外读出，使其对最苛刻的应用具有吸引力，例如通过散射组织成像和空间分辨化学NMR检测。
2020-11-21 physics.optics quant-ph
Vector magnetometry using cavity-enhanced microwave readout in nitrogen-vacancy diamond
本研究提出耦合微波腔的金刚石NV中心矢量磁测量方案，通过腔增强微波读出实现高对比度自旋检测，获得了高灵敏度、宽响应带宽的4π球面度矢量磁场传感性能。
2025-11-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Photoelectrical detection of electron spin resonance of nitrogen-vacancy centres in diamond
金刚石中氮空位（NV）中心电子自旋的控制和读出协议为量子计算、计量和传感提供了先进的平台。这些方案基于从NV中心发射的光子的光学读出，该过程受到光子收集的产率的限制。在这里，我们报告了一种新的原则，通过直接监测自旋保持电子跃迁，通过测量NV中心相关的光电流检测NV中心的磁共振金刚石。所展示的直接检测技术为金刚石NV传感器和金刚石芯片上的金刚石量子器件的读出提供了灵敏的方式。磁共振光电流检测（PDMR）方案是基于通过NV-中心的双光子电离促进到金刚石的导带的载流子的检测。磁共振（ODMR）和PDMR的光学检测进行了比较，通过同时进行这两种测量。在共振微波频率下测得的光电流中检测到的最小值归因于NV-基态的自旋相关的占据概率，源自自旋选择性非辐射跃迁。
2015-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhancement of spin-to-charge conversion of diamond NV centers at ambient conditions using surface electrodes
针对金刚石NV色心光学自旋对比度限制性能的问题，提出结合自旋-电荷转换与表面电极的高对比度读取新机制，理论预测室温下对比度达42%，为相关研究开辟新路径。
2022-09-28 quant-ph
Modelling and experimental verification of photoelectrical response of NV diamond spin centres
Hasselt University（哈瑟尔特大学）；Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；IMEC（imec研究所）；Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS（捷克科学院有机化学与生物化学研究所）
本文提出了一种用于钻石中NV色心光电响应的数学模型，通过考虑电荷载流子和缺陷的动力学，实现了对量子比特操作参数空间的优化，并通过实验验证其有效性。
2026-01-14 quant-ph
Discovery of ST1 centers in natural diamond
ST 1心是金刚石中的一个点缺陷，具有明亮的荧光，是光学自旋初始化和读出的机制。该中心在钻石量子计算中具有令人印象深刻的应用潜力，可以作为核自旋寄存器的量子总线。这是因为它具有非常高的读出对比度，并且与众所周知的氮空位中心不同，它不具有使核自旋去球的基态电子自旋。然而，它的化学结构是未知的，我们对其性质的理解存在很大的差距。本文报道了天然金刚石中ST_1心的发现。我们的实验确定了有趣的中心的光学动力学的功率依赖性，并揭示了新的电子结构。我们还提出了一个理论，它的电子-声子相互作用，我们结合以前的实验，入围可能的候选人，其化学结构。
2019-06-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient and all-carbon electrical readout of a NV based quantum sensor
本研究通过氙聚焦离子束在金刚石上制备石墨平面电极，实现了基于 NV 中心系综的光电导自旋读出，为构建全碳金刚石量子传感器提供了高效电学读出技术。
2022-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph 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
On readout and initialisation fidelity by finite demolition single shot readout
理想投影量子测量使系统态坍缩在一个可观测的算符本征态$|ϕ_α\rangle$中，使其成为制备系统所需纯态的有力工具。然而，投射测量的实验实现并不理想。在克服设备的经典噪声所需的测量时间期间，系统状态经常（轻微）扰动，这损害了初始化的保真度。在本文中，我们提出了一个分析模型来分析系统的初始化保真度进行单次拍摄读出。我们推导出一种方法来优化参数的三个最常用的情况下，光子计数为基础的读出NV色心在钻石，电荷状态，核自旋和低温电子自旋读出。我们的工作是相关的量子比特的初始化保真度的准确描述时，单次读出用于初始化通过后选择或实时控制。
2022-12-12 quant-ph
Electrical detection of 31P spin quantum states
近年来，各种各样的固态量子比特已经被实现，包括量子点、超导隧道结和点缺陷。由于其与现有微电子学的潜在兼容性，Kane基于Si中的磷供体的提议也得到了深入的研究。这个概念的关键问题是P量子态的读出。虽然磁共振的电测量已经在单自旋上进行，但这些基于随机电报噪声测量的实验的统计性质阻碍了单自旋状态的读出。在这封信中，我们证明了测量的自旋状态的P施主电子在硅和观察拉比触发器的纯电手段，通过相干操纵的自旋相关的载流子复合之间的P施主和顺磁局域态在Si/SiO2界面通过脉冲电检测磁共振。电子自旋信息被证明是通过与P核的超精细相互作用耦合的，这表明了基于重组的核自旋读出的可行性。
2006-07-25 quant-ph
Universal enhancement of the optical readout fidelity of single electron spins
自旋态的精确读出对于任何物理实现基于自旋的量子计算机的方法和具有单自旋的磁力测量都是至关重要的。在这里，我们报告了一种新的方法，以大大提高与金刚石中的单氮空位（NV）中心相关的电子自旋态的光学读出保真度。通过在NV中心的氮原子的电子自旋和核自旋之间执行条件触发过程，信噪比显著增强。增强的读出过程由短的预备脉冲序列触发。由于氮原子核自旋在体系中是固有存在的，因此该方法普遍适用于任何氮空位中心。
2009-09-25 quant-ph
Optimal microwave control pulse for nuclear spin polarization and readout in dense nitrogen-vacancy ensembles in diamond
针对金刚石稠密NV系综中窄带微波脉冲核自旋制备效率低的问题，本文优化三类脉冲形状，在1.5 MHz线宽下使目标态布居提升15%。
2022-09-27 physics.optics quant-ph
Spin-to-Charge conversion with electrode confinement in diamond
金刚石中的氮空位中心在量子精密测量、通信和计算等领域有着广泛的应用前景。其使用的关键在于光学自旋对比度有多大以及自旋态读出的相关保真度。在本文中，我们提出了一种新的机制，提高对比度的自旋-电荷协议，依赖于使用外部电极和低温温度离散的金刚石导带自旋选择性共振光电离。我们使用有效质量理论来计算在这个新系统中的离散本征能，并使用它们来制定一个新的自旋到电荷协议，涉及到共振光电离出NV基态到金刚石导带。拓宽的主要来源也得到解决，指导实验的设计。通过这种机制，我们理论上的光学自旋对比度和相关的自旋读出保真度为85%。这一重大改进可以应用于许多低温量子技术。
2021-08-20 physics.optics quant-ph
Extending and measuring dephasing times of nuclear spins in NV centers of diamond
本文针对金刚石NV中心核自旋表观退相干时间受限于电子自旋寿命的问题，提出并实现了测量与延长核自旋退相干时间的方案，使其超过电子自旋的纵向弛豫时间$T_{1}$。
2025-05-29 quant-ph
A physically unclonable function using NV diamond magnetometry and micromagnet arrays
物理不可克隆功能（PUF）是一种嵌入式硬件安全措施，可提供防伪造保护。在这里，我们提出了我们的工作，使用随机磁化的微米大小的铁磁棒（微磁铁）阵列作为PUF。我们采用4 $μ$ m厚的金刚石表面层的氮空位（NV）中心的图像的磁场从阵列中的每个微磁体，之后，我们提取每个微磁体的磁极性，使用图像分析技术。在评估了微磁体阵列PUF的随机性和NV读出的灵敏度之后，我们通过讨论未来可能的增强以提高安全性和磁读出来得出结论。
2020-02-19 cond-mat.mes-hall physics.ins-det 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
Optimal Control Theory Techniques for Nitrogen Vacancy Ensembles in Single Crystal Diamond
本文研究无静磁场下单晶金刚石中氮空位系综的控制方法，提出利用圆偏振微波和最优控制理论实现对四个主轴系统的同步与集体控制，为高灵敏度量子传感设备奠定基础。
2023-07-03 quant-ph
Room-temperature control and electrical readout of individual nitrogen-vacancy nuclear spins
半导体中的核自旋是量子技术的主要候选者，包括量子计算，通信和传感。钻石中的核自旋由于其极长的相干寿命而特别有吸引力。在氮空位（NV）中心的情况下，这种核量子位受益于辅助电子量子位，这使得光子链路介导的纠缠成为可能。通过电子本身经由到相邻中心的受控转移或经由偶极相互作用来传输量子信息将使得能够实现甚至更快和更小的处理器，但是由于所需的子衍射站点间距离，这种节点的阵列的光学读出提出了艰巨的挑战。在这里，我们演示了这种系统的一个基本单元的电读出-一个单一的14 N核自旋耦合到NV electron. We的结果提供了量子门操作和核量子位寄存器的电读出的关键成分，在与纳米电极结构兼容的方式。因此，该演示是实现具有半导体可扩展性的大规模金刚石量子器件的里程碑。
2021-01-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Energy levels and decoherence properties of single electron and nuclear spins in a defect center in diamond
研究了金刚石中缺陷中心及其附近13 C核的单电子和单核自旋的相干行为。分析了缺陷中心电子自旋与~（13）C核自旋超精细耦合的能级。磁共振的方法，连同光学读出的单缺陷中心已被应用，以观察电子和核自旋的相干动力学。长的相干时间，在微秒的电子自旋和几十微秒的核自旋的顺序，建议研究系统作为一个很好的实验方法，实现2量子位门。
2004-09-12 quant-ph
