Cavity quantum electrodynamic readout of a solid-state spin sensor
稳健、高保真的读出是量子器件性能的核心。对于基于固态自旋缺陷的器件来说，克服不良读出是一个日益紧迫的挑战，特别是考虑到它们在量子传感、量子信息和基础物理测试中的快速采用。固体中的自旋缺陷结合了原子和低温系统的可重复性和精度，以及在紧凑性和操作条件范围方面的实质性优势。然而，尽管在特定系统的实验进展，固态自旋传感器仍然缺乏一个通用的，高保真度的读出技术。在这里，我们展示了高保真度，室温读出的氮空位（NV）中心的合奏通过强耦合到介电微波腔，建立在类似的技术通常应用于低温电路腔量子电动力学。这种强烈的集体相互作用允许自旋系综的微波跃迁被直接探测，从而克服了传统荧光读出的光子散粒噪声限制。应用这种技术的磁力，我们表明磁灵敏度接近约翰逊-奈奎斯特噪声限制的系统。这种读出技术是可行的许多顺磁自旋系统，表现出在微波域的共振。我们的研究结果为通过增大系综尺寸、减小自旋共振线宽或提高腔体品质因数来实现固态自旋传感器的统一读出保真度铺平了道路。
2020-03-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Strain Enhanced Spin Readout Contrast in Silicon Carbide Membranes
本研究通过第一性原理模拟与实验，证明在4H silicon carbide membranes中施加应变能显著增强单自旋读出对比度，在保持相干性的同时实现超60%对比度，确立了应变工程优化固态量子界面的策略。
2025-05-31 quant-ph
Time-space encoded readout for noise suppression and scalable scanning in optically active solid-state spin systems
提出一种名为T2S编码的新型读出方案，通过声光调制器在时空上解耦自旋操纵与光学读出，实现了高效噪声抑制和可扩展的多像素成像。
2024-08-27 physics.app-ph quant-ph
High-fidelity projective readout of a solid-state spin quantum register
耦合量子系统的读出和重构是实现量子算法的重要组成部分。如果多量子位寄存器的状态可以在Single Shot中读出，则这使得能够实现进一步的关键资源，例如量子纠错和确定性量子隐形传态，以及量子相关性（纠缠）的直接研究。虽然固体中的自旋是可扩展的量子信息处理的有吸引力的候选者，但到目前为止，仅针对孤立的量子比特实现了单次检测。在这里，我们演示了多自旋量子寄存器的制备和测量，通过实施最初在原子物理学中开发的共振光激发技术。我们在低温下实现了与金刚石中单个氮空位（NV）中心相关的电子自旋的高保真度读出，并利用此读出将多达三个附近的核自旋量子比特投射到定义明确的状态上。相反，我们可以通过将核自旋映射到电子自旋上并随后测量电子自旋来区分Single Shot中核自旋的状态。最后，我们展示了与量子位控制的兼容性，通过演示初始化，相干操作，并在一个单一的实验中的单次读出两个量子位寄存器，使用适合扩展到更大的寄存器的技术。这些结果为Bell不等式在固体自旋上的首次检验和基于测量的量子信息协议的实现铺平了道路。
2013-01-03 cond-mat.other quant-ph
Single-shot readout of a solid-state spin in a decoherence-free subspace
量子点分子的高效单光子发射能力使其成为量子信息处理的有前途的平台。此外，量子点分子具有“无退相干”的子空间，使得自旋量子比特具有长相干时间。为了有效地读出该子空间内的自旋状态，需要光学循环源自量子点分子内的三重态流形的隔离跃迁。我们提出并从理论上研究了一个两阶段的自旋读出协议在这个消相干的自由子空间，允许单次读出性能。该过程包括微波$π$脉冲和光学循环的孤立的过渡，这诱导荧光，使我们能够识别初始自旋状态。该协议提供了增强的读出保真度相比，以前的计划，依赖于强烈衰减到多个基态或需要长时间的初始化，通过缓慢的，光学禁戒跃迁的跃迁的激发。通过模拟的协议的性能，我们表明，超过97%的最佳自旋读出保真度和单次读出性能是可以实现的光子收集效率仅为0.12%。在无消相干子空间内的这种现实光子收集条件下的这种高读出性能扩展了量子点分子作为量子网络的构建块的潜力。
2021-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent control and single-shot readout of a rare-earth ion embedded in a nanophotonic cavity
基于光学可寻址自旋量子比特的量子网络有望实现安全通信、分布式量子计算和基础物理测试。基于固态发光中心的量子网络的放大需要耦合到光子谐振器的相干自旋和光学跃迁。在这里，我们研究单个$\mathrm{{}^{171}Yb^{3+}}$离子在钇原钒酸盐耦合到一个纳米光子腔。这些离子具有光学和自旋跃迁是一阶不敏感的磁场波动，使光学线宽小于1 MHz和自旋相干时间超过30毫秒的腔耦合离子。腔增强的光发射率有利于有效的自旋初始化和保真度大于95%的条件单次读出。这些结果展示了一个基于单一相干稀土离子的固态平台，用于未来的量子互联网。
2019-07-28 quant-ph
High Fidelity Single-NV Qubit Quantum State Tomography by Photoelectric Readout
Hasselt University（哈瑟尔特大学）；Imec（imec研究所）
本文通过光电读出技术实现单NV量子位的高保真量子态重构，展示其在保真度和集成性方面的优势。
2026-10-22 quant-ph
Improved quantum sensing with a single solid-state spin via spin-to-charge conversion
在室温下有效地光学读出单个固态电子自旋是纳米量子传感的关键挑战。在这里，我们应用自旋-电荷转换技术，以提高在室温下的金刚石中的一个单一的氮空位（NV）色心的光学自旋状态读出，在NV自旋相干时间没有退化。我们证明了一个数量级的改善，每次拍摄的自旋读出噪声和约五个因素的改善，在AC磁力灵敏度，相比，传统的NV自旋状态的光学读出方法。这种改进在广泛适用的块状金刚石系统中实现。我们表明，选择成功的电荷状态初始化导致可能进一步提高灵敏度。该技术非常适合于涉及低占空比脉冲信号的感测应用，在生物磁测量中，长的死区时间需要优化每次拍摄的灵敏度。
2017-11-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optical quantum nondemolition measurement of a solid-state spin without a cycling transition
固态中的光学界面自旋是量子技术的一个有前途的平台。这些系统的一个关键组成部分是对自旋状态的高保真投影测量。在以前的工作与激光冷却的原子和离子，和固态缺陷，这已经完成了使用荧光的光学循环过渡，然而，循环过渡并不普遍。在这项工作中，我们表明，修改电磁环境，使用光学腔可以诱导一个循环过渡的固态原子缺陷。通过将单个铒离子缺陷耦合到电信波长硅纳米光子器件，我们将其光学跃迁的周期性提高了100倍以上，从而能够以94.6%的保真度单次量子非破坏读出离子的自旋。我们用这个读数来探测自旋的相干动力学和弛豫。这种方法将使量子技术基于更广泛的原子缺陷。
2019-07-23 quant-ph
Repetitive Readout Enhanced by Machine Learning
单次读出是可扩展量子信息处理的关键组成部分。然而，许多具有良好特性的固态量子比特缺乏单次读出能力。一种解决方案是使用重复量子非破坏读出技术，其中量子位与随后读出的辅助物相关。因此，读出保真度受到来自测量的量子位上的反作用的限制。传统的方法是采用阈值法，仅用光子总数来判别量子比特的状态，而忽略了重复读出测量的时间轨迹中隐藏的所有反作用信息。在这里，我们通过使用机器学习（ML）来展示，通过利用时间跟踪数据来获得更高的读出保真度。ML能够识别反作用发生的时间，并正确读出原始状态。由于信息已经被记录（但通常被丢弃），保真度的这种改进不消耗额外的实验时间，并且可以直接应用于涉及重复读出的测量解释和量子精密测量应用。
2019-07-27 quant-ph
Cryogenic Control and Readout Integrated Circuits for Solid-State Quantum Computing
本文针对固态量子计算数百万比特集成下室温控制读出电子设备的互连与延迟难题，综述两类低温控制读出集成电路研究，重点介绍CMOS技术的原理、架构及器件建模等内容。
2024-10-30 cs.SY eess.SY quant-ph
Cavity-enhanced solid-state nuclear spin gyroscope
本文提出利用协同腔量子电动力学耦合与NV超精细子空间双场干涉实现核自旋高效直接读出，并将其用于惯性传感，使旋转灵敏度较以往固态自旋方案提升三个数量级。
2025-02-03 quant-ph
Detecting quantum noise of a solid-state spin ensemble with dispersive measurement
Department of Physics, University of Toronto（多伦多大学物理系）；Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago（芝加哥大学普里茨克分子工程学院）；Department of Physics, University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校物理系）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）
本研究提出利用色散测量技术，通过同频检波检测来检测固态自旋集体的量子噪声，并提出通过检测自旋压缩来评估纠缠态的量子计量学性能。
2026-02-03 quant-ph
Cavity-assisted single-shot $\textit{T}$-center spin readout
Rice University（莱斯大学）；Smalley-Curl Institute, Rice University（斯莫利-柯尔研究所，莱斯大学）
针对光学接口固态自旋量子信息处理的高保真自旋读出需求，提出两种腔耦合单个$\textit{T}$中心电子自旋的单次读出理论方案，经实际参数计算两种方案均能在10μs内实现超99%的读出保真度。
2026-09-15 quant-ph
Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register
混合量子系统试图将其组成部分的力量结合起来，以掌握量子技术的基本冲突要求：快速准确的系统控制以及与环境（包括测量仪器）的完美屏蔽，以实现长量子相干性。混合量子系统的优秀例子是异质自旋系统，其中电子自旋用于读出和控制，而核自旋用作长寿命量子比特。在这里，我们表明，联合初始化，投影读出和快速本地和非本地门操作不再冲突的要求，在这些系统中，即使在环境条件下。我们展示了高保真初始化的一个完整的自旋寄存器（99%）和单发读出多个单独的核自旋通过使用辅助电子自旋的氮空位缺陷的金刚石。实现了一种新的非局域门通用我们的混合电子-核量子寄存器允许制备三个核自旋的纠缠态，具有超过85%的量子效率。量子纠错是可扩展量子计算的一个重要工具。首次将基于最优控制的误差避免与误差校正相结合，实现了一种三量子比特的相位翻转误差校正算法。利用最优控制，上述所有算法都实现了接近容错量子操作的并行性，从而为大规模集成铺平了道路。我们的技术可用于改善依赖于金刚石自旋、硅中的磷或其他自旋系统（如量子点、碳化硅或固体中的稀土离子）的量子网络的缩放。
2013-09-27 quant-ph
Unconditionally teleported quantum gates between remote solid-state qubit registers
QuTech & Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学奎克与卡弗里纳米科学研究所）
该研究实现了无条件的远程固态量子比特间的量子门，展示了固态量子网络的关键能力。
2026-01-08 quant-ph
Amplified Sensitivity of Nitrogen-Vacancy Spins in Nanodiamonds using All-Optical Charge Readout
含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石为从纳米磁性到细胞过程的体内监测的传感应用提供了一个通用平台。然而，在许多情况下，弱的光学信号和差的对比度需要很长的采集时间，从而阻碍了环境动态的测量。在这里，我们证明了能够执行快速，高对比度的光学测量的电荷分布在合奏的NV中心在纳米金刚石和使用的技术，以提高自旋读出信噪比，通过自旋-电荷转换。对38个纳米金刚石的研究，每个纳米金刚石拥有10-15个平均直径为40 nm的NV中心，揭示了由于辐射和非辐射电离和复合过程而引起的复杂的多时间尺度动力学。尽管如此，纳米金刚石普遍表现出电荷依赖的光致发光对比度和使用自旋-电荷转换增强自旋读出的潜力。我们使用的技术，以加快$T_1$弛豫测量的五倍。
2017-09-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin bath narrowing with adaptive parameter estimation
我们提出了一种测量方案，能够实现量子极限的参数估计使用自适应策略，最大限度地减少参数的方差在每一步。我们提出的自适应规则，使该计划对错误的鲁棒性，特别是不完美的读数，一个关键的要求，扩展自适应方案从量子光学固态传感器。由于固态电子自旋（例如金刚石中的氮空位中心）的单次读出能力的最新进展，该方案也可以应用于估计与传感器自旋耦合的旋转浴的极化。反过来，测量过程降低了旋转浴的熵，导致传感器旋转的相干时间更长。
2012-03-07 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
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
Cavity-enhanced optical readout and control of nuclear spin qubits
Max-Planck-Institut für Quantenoptik（马克斯·普朗克量子光学研究所）；Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；TUM Center for Quantum Engineering (ZQE)（慕尼黑工业大学量子工程中心）
通过腔体增强技术实现167-Er核自旋量子比特的高效光学读取与控制，为长距离光纤量子网络提供新平台。
2026-03-02 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
Single-spin readout for buried dopant semiconductor qubits
在利用固态掺杂剂核和电子自旋的长相干时间的量子计算机架构的设计中，用于读出的单自旋检测仍然是一个关键的未解决的问题。基于单个施主原子之间的磁感应自旋相关电子隧穿的方案，使用单电子晶体管（SET）作为超灵敏静电计检测，被认为是有问题的，因为最终D-态的电离能低。本文详细分析了绝热格式。我们发现，尽管显着的稳定，由于存在的D+，过渡所需的场强导致缩短驻留时间放置在SET测量时间的严格限制。因此，我们研究了一种基于共振电子转移的新方法，该方法的场强大大降低。文中还讨论了该方法实施中的各种问题。
2004-02-11 quant-ph
Enhanced quantum sensing with room-temperature solid-state masers
固态系统的量子传感在从材料和生物医学科学到基础物理学的各个领域都有广泛的应用。已经开发了几种固态自旋传感器，促进了对诸如磁场和电场以及温度的物理量的超灵敏检测。利用非相互作用自旋的集体行为有望将检测极限推到更低的水平，而到目前为止，由于固态自旋系综的线宽变宽和读出效率低下，这些水平几乎无法达到。在这里，我们的实验表明，这些缺点可以克服新重生的微波激射技术在室温下在固态。由于微波激射的作用，我们观察到一个分子自旋系综的非均匀加宽线宽减少了4倍，这比在低温下从单自旋测得的线宽要窄。基于脉泽的读出应用于磁力显示的信噪比（SNR）为30分贝的单次拍摄。这项技术将是一个重要的工具箱，以提高灵敏度的固态系综自旋传感器。
2022-01-13 physics.app-ph quant-ph
Direct Observation of Dipolar-Driven Anisotropic Quantum Projection Noise in a Solid-State Spin Ensemble
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Harvard University（哈佛大学）；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）；Boston University（波士顿大学）
本工作利用NV中心系综在中等磁场下的重复读出，直接观测到偶极相互作用将量子投影噪声转化为各向异性分布，为固态自旋压缩和纠缠增强传感铺平道路。
2026-09-14 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Robust All-Optical Single-Shot Readout of NV Centers in Diamond
在单次实验重复中对量子比特状态的高保真投影读出是各种传感和计算量子协议的先决条件。实现单次读出对于固态量子比特是具有挑战性的。对于金刚石中的氮空位（NV）中心，已经在低温下利用核存储器或共振激发来实现。所有这些现有的方法都有严格的实验要求。特别地，它们需要高效率的光子收集，例如浸没光学器件或全金刚石微光学器件。对于一些最相关的应用，例如低温环境中的浅注入NV中心，这些工具不可用。在这里，我们展示了一种全光学自旋读出方案，即使光子收集不佳（提供小于10 $^3$点击/秒），也能实现单次保真度。该方案是基于自旋相关的共振激发在低温结合自旋电荷转换，映射到稳定的电荷状态的脆弱的电子自旋状态。我们证明了这种技术的工作浅注入NV中心，因为它们是所需的传感和可扩展的NV为基础的量子寄存器。
2020-12-08 quant-ph
A three-dimensional multimode lumped-element resonator for collective spin manipulation and dispersive readout
Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale and School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学物理科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心）；Shanghai Research Center for Quantum Science and CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学、上海量子科学研究与探索中心、中国科学院量子信息与量子物理学前沿卓越创新中心）
本文提出一种三维多模式微波谐振器，实现宏观自旋集体操控与色散读取，通过几何对称性设计两个抗对称模式，以不同频率耦合至同一自旋集合，展示强耦合与非破坏性色散读取。
2026-01-09 quant-ph
Demonstration of entanglement-by-measurement of solid state qubits
投影测量是操纵量子态的有力工具。特别地，一组量子位可以通过测量诸如量子位奇偶性的联合属性来纠缠。这些联合测量不需要量子比特之间的直接相互作用，因此为具有良好隔离的量子比特的量子信息处理提供了独特的资源。已经提出了许多固态量子比特的测量纠缠方案，但到目前为止，苛刻的实验要求阻碍了实现。在这里，我们利用氮空位中心的电子自旋作为读出辅助，实现了对金刚石核自旋的双量子比特宇称测量。测量使我们能够将最初不相关的核自旋投影到最大纠缠态。通过结合这种纠缠与高保真度单次读出，我们证明了第一次违反贝尔不等式与固态自旋。这些结果为一类新的实验打开了大门，在这些实验中，投影测量被用来创建、保护和操纵固态量子比特之间的纠缠。
2012-06-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dispersive Readout of Room Temperature Spin Qubits
我们展示了在室温下，在高质量的介质微波谐振器中，氮空位中心系综自旋的色散读出。自旋状态是从探测谐振器的微波信号的反射相位推断的。的自旋状态的时间相关的跟踪证明，并用于测量T1弛豫时间的自旋系综。色散读出提供了一个微波接口的固态自旋，翻译成微波相移的自旋信号。我们估计，它的灵敏度可以优于光学读出方案，由于在相位测量中可实现的高精度。此外，该方案适用于光学非活性自旋缺陷，并且它是非破坏性的，这使得它对光学读出的几个系统误差不敏感，并且能够使用量子反馈。
2020-03-17 physics.app-ph 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
Optical addressing of an individual erbium ion in silicon
固体中与单个缺陷相关的电子自旋的检测是当前正在开发的一系列量子信息和测量应用的关键操作。到目前为止，它只完成了两个中心的晶体固体：磷在硅中使用基于单电子晶体管（SET）的电读出和金刚石中的氮空位中心使用光学读出。电读出和光学读出都证明了大约90%的自旋读出保真度，然而，电读出的热限制和光学读出的差的光子收集效率阻碍了实现量子信息应用所需的高保真度。在这里，我们展示了一种混合的方法，使用光激发，以改变电荷状态的缺陷中心在硅基SET，其自旋状态的条件下，然后检测这种变化电。高光谱分辨率的光频寻址克服了以往电读出的热展宽限制，电荷传感避免了有效收集光子的困难。这是用硅中的铒完成的，并且有可能为量子信息处理设备启用新的架构，并显着增加可以利用的缺陷中心的范围。此外，硅中单个位点的光激发的有效电检测是开发硅与基于光学的量子计算技术之间的互连的主要步骤。
2013-04-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
High Resolution Magnetic Resonance Spectroscopy Using Solid-State Spins
我们展示了一个同步读出（SR）技术的振荡磁场与亚毫赫兹分辨率的光谱选择性检测，使用固态自旋的相干操纵。SR技术在基于金刚石中的氮空位（NV）中心的灵敏磁力计（~50皮特斯拉/Hz^（1/2））中实现，并且用于检测来自液态样品的核磁共振（NMR）信号。我们获得NMR光谱分辨率~3 Hz，这是近两个数量级窄于以前所证明的NV为基础的技术，使用的样品体积为~1皮升。这是NV检测NMR的第一个应用，以感测玻尔兹曼极化核自旋磁化，并首次观察化学位移和J耦合。
2017-06-14 quant-ph
Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip
固态量子计算机需要经典电子学来控制和读出单个量子比特，并实现快速经典数据处理[1-3]。在固态量子处理器运行最佳的深低温下集成两个子系统[4]，可以解决一些主要的扩展挑战，例如系统大小和输入/输出（I/O）数据管理[5]。硅量子点（QD）中的自旋量子位可以使用超大规模集成（VLSI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单片集成，从而利用半导体行业的广泛制造经验[6]。然而，在mK温度下使用工业CMOS进行集成的实验演示仍处于起步阶段。在这里，我们提出了一个使用工业CMOS技术制造的低温集成电路（IC），它包含硅基量子处理器的三个关键成分：QD阵列（在这里以非交互式3x 3配置排列），数字电子器件，以最大限度地减少使用行列寻址的控制线和用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都在50 mK下工作。与微波谐振器（6-8 GHz范围），我们显示分散读出的量子点的电荷状态，并执行组合的时域和频域复用，实现可扩展的读出，同时减少整体芯片的足迹。这种模块化架构探讨了使用工业CMOS技术实现集成量子和经典电子学的大规模硅量子计算机的限制。
2021-01-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Charge noise and overdrive errors in reflectometry-based charge, spin and Majorana qubit readout
结合量子点的固态量子比特可以通过门反射计读出。在这里，我们从理论上描述的物理机制，使这种基于反射的读出方案不完美。我们讨论了电荷量子比特，单重态-三重态自旋量子比特和马约拉纳量子比特。在我们的模型中，我们考虑了由于慢电荷噪声和过驱动（当太强的探针导致错误时）而导致的读出错误。一个关键的结果是，对于电荷和自旋量子位，读出保真度在大的探测强度下饱和，而对于马约拉纳量子位，存在最佳的探测强度，其提供最大化的读出保真度。我们还指出，存在严重的读出错误出现在一个共振的方式作为脉冲强度的增加，并表明，这些错误与探针诱导的多光子跃迁。除了提供实用的指导方针，优化读出，我们的研究也可能会启发如何使用门反射器件表征。
2020-06-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Experimental test of the Jarzynski equality in a single spin-1 system using high-fidelity single-shot readouts
本研究在高维单自旋1系统中通过级联高保真单次读出和两点测量协议直接测量功分布，实验检验了Jarzynski等式，验证了其在不同条件下的有效性，并确立了NV中心系统在随机量子热力学实验中的重要地位。
2023-10-25 quant-ph
Polarimetry With Spins in the Solid State
本文将泡利自旋阻塞重新诠释为三维偏振测量，通过硅量子点与硼受主体系实验展示自旋-轨道耦合导致的自旋失准及其磁场调控恢复，并揭示自旋失准对量子计算自旋读出保真度的根本限制。
2024-10-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dispersive Microwave Sensing for Quantum Computing with Floating Electrons
本研究开发了低温微波源和基于谐振器的读出技术，用于在低温基板上实现漂浮电子作为量子比特的测量。
2026-01-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solid state quantum memory using the 31P nuclear spin
不同物理形式之间的信息传递是通信和计算的中心主题，例如处理实体和存储器之间。在量子计算中，这一点最为重要，必须付出巨大努力来保护脆弱量子比特的完整性。与电子自旋相比，核自旋受益于较长的相干时间，但操纵缓慢，并且受到弱热极化的影响。因此，量子计算的一个强大模型是电子自旋用于处理和读出，而核自旋用于存储。在这里，我们展示了相干转移的叠加态的电子自旋“处理”量子比特的核自旋“记忆”量子比特，使用微波和射频脉冲的组合施加到同位素纯28 Si晶体中的31 P供体。电子自旋状态可以在与电子退相干时间相比较长的时间尺度上存储在核自旋中，然后相干地转移回电子自旋，从而证明了31 P核自旋作为固态量子存储器。总的存储/读出保真度约为90%，这归因于射频脉冲中的系统缺陷，其可以通过使用复合脉冲来改善。我们应用动态退耦来保护核自旋量子存储元件不受退相干源的影响。在5.5K下，量子存储元件的相干寿命超过1秒。
2008-06-30 quant-ph
Single-Spin Readout and Quantum Sensing using Optomechanically Induced Transparency
本文提出利用光力诱导透明和自旋-应变耦合实现力学介导的单次自旋读出，在金刚石硅空位缺陷中测量时间比荧光读出短一个数量级，并可用于高灵敏度参数估计计量。
2023-04-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-shot single-gate RF spin readout in silicon
对于固态自旋量子位，单栅极RF读出可以帮助最大限度地减少放大到许多量子位所需的栅极数量，因为读出传感器可以集成到操纵量子位所需的现有栅极中（Veldhorst 2017，Pakkiam 2018）。然而，可扩展量子计算机的一个关键要求是，我们必须能够在单次激发（即单次测量）内解析量子比特状态（Dijuenzo 2000）。在这里，我们展示了单栅，单次读出的单重态-三重态自旋在硅，在$3.3~\text{kHz}$测量带宽的平均读出保真度$82.9\%$。我们使用这种技术来测量三重态$T_-$单重态$S_0$弛豫时间的$0.62~\text{ms}$在硅中的精确施主量子点。我们还表明，使用RF读出不影响最大读出时间在零失谐的$S_0$到$T_-$衰减，保持在约$2~\text{ms}$限制。这确立了单栅极感测作为自旋量子位的可行读出方法。
2018-09-06 cond-mat.mes-hall 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
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
Room temperature coherent control of coupled single spins in solid
单量子物体之间的相干耦合是现代量子物理学的核心。当耦合强到足以战胜退相干时，它可以用于相关量子态的工程。特别是对于固态系统，量子关联的控制由于在量子计算中的应用而引起了广泛的关注。这种相干耦合已被证明在各种系统在低温1，2。在所有量子系统中，自旋可能是最重要的，因为它们提供了非常长的相位记忆，有时甚至在室温下也是如此。虽然在传统的磁共振中已经建立了对自旋的精确控制3，4，但由于灵敏度有限，现有技术通常不允许读出单个自旋。本文利用单氮空位自旋态的光学读出研究了金刚石中两个单缺陷（氮空位和氮）之间的偶极磁耦合。长相记忆结合的缺陷分离的几个晶格间距，使我们能够探索强磁耦合制度。由于双缺陷系统与其他缺陷很好地隔离，因此单自旋的长相位记忆时间并没有减少，尽管偶极相互作用通常被视为不希望的退相干源。实现了自旋对量子态的相干叠加。偶极耦合用于将自旋极化从氮空位中心自旋转移到氮自旋，氮空位中心的光泵浦导致有效的初始化。在水平anticrossing有效的核自旋极化实现。我们的研究结果表明，控制自旋耦合和多粒子纠缠在固态的重要一步。
2006-05-03 quant-ph
Quantum gyroscope based on three-dimensional rotation induced Berry phase
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
该研究利用钻石中的固态自旋缺陷作为传感量子比特，通过三维旋转诱导 Berry 阶段提高陀螺仪灵敏度，采用反迪阿巴托协议抑制非绝热泄漏，实现四阶灵敏度提升。
2026-03-20 quant-ph
Experimental Adiabatic Quantum Factorization under Ambient Conditions Based on a Solid-State Single Spin System
绝热量子计算是量子计算中一种通用的、鲁棒的方法。在这种体系结构中，问题可以通过将量子处理器从简单初始哈密顿量的基态演化到最终哈密顿量的基态来解决，最终哈密顿量对问题的解进行编码。到目前为止，还没有在环境条件下在单个固体自旋系统上实现绝热量子计算的实验，这已被证明是可扩展量子计算的兼容候选者。在这封信中，我们报告的第一个实验实现的绝热量子算法在一个单一的固体自旋系统在环境条件下。绝热量子计算的所有元素，包括初始状态的准备，绝热演化，和最终状态读出，实验上实现。作为一个例子，我们在绝热量子处理器上将35分解为素因子5和7。
2016-11-10 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
Electrical readout of a spin qubit without double occupancy
我们确定了一种新的机制，读出一个单一的固态电子自旋使用一个全电自旋电荷转换在一个封闭的系统。我们的方案使用三个施主和两个电子自旋，一个自旋是量子比特，另一个是参考。用静电计监测第三个最初电离的供体中的粒子数。参考自旋到电离施主的能量依赖性隧穿用于确定量子位的状态。与以前的方法相比[例如，B.E. Kane，Nature（London），\textbf{393}，133（1998）]，我们避免了系统内任何位点的双电子占据，从而消除了系统中不需要的电子损失的可能性。这里描述的单自旋读出方案适用于基于电子和核自旋的量子计算机架构。
2005-10-25 cond-mat.other quant-ph
Single-Shot Readout of a Nuclear Spin in Silicon Carbide
本文首次在碳化硅中实现了核自旋的单次读出，通过双步读出方案获得了99.5%的读出保真度和89.8%的成功效率，为量子网络应用补充了实验工具箱。
2024-01-09 physics.atom-ph quant-ph
Resonant optical spin initialization and readout of single silicon vacancies in 4H-SiC
4 H-SiC中的硅单空位是固态量子信息处理的一个很有前途的候选材料。我们在低温下对单个V2缺陷进行高分辨率光谱分析。我们发现有利的低温光学性能是必不可少的光学读出和相干控制其自旋和自旋光子接口的发展。单个缺陷之间的共同特征包括两个窄的、几乎寿命有限的光学跃迁，其对应于$m_s{=}\pm 3/2$和$m_s{=}\pm 1/2$自旋态，没有可辨别的零场分裂波动。自旋态的激发和读出的特征在于在这些跃迁的共振激发下的时间分辨光谱，显示出$\pm 3/2$和$\pm 1/2$自旋态之间的显著差异。这些结果很好地描述了一个理论模型，加强了我们对这种缺陷的量子特性的理解。
2019-01-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon
单个核自旋有望成为长寿的量子比特或量子存储器，具有容错量子计算所需的高性能。我们在这里表明，这样的承诺可以通过硅纳米结构中的单个磷（31 P）核自旋来实现。通过将电子自旋的单次读出与片上电子自旋共振相结合，我们证明了核自旋的量子非破坏性电单次读出，读出保真度优于99.8% -这是任何固态量子位的最高值。然后通过施加相干射频（RF）脉冲将单个核自旋作为量子比特操作。对于电离的31 P施主，我们发现核自旋相干时间为60 ms，1-量子位门控保真度超过98%。这些结果表明，现代电子学的主导技术可以适用于托管基于核自旋的量子信息处理的完整电测量和控制平台。
2013-02-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dissipative superradiant spin amplifier for enhanced quantum sensing
利用$N$两能级系统和拉姆齐式测量的集合的量子精密测量协议是普遍存在的。然而，在许多情况下，过量的读出噪声严重降低测量灵敏度;特别是在基于固态缺陷自旋的集合的传感器中。我们提出了一个耗散的“自旋放大”协议，允许一个显着提高这种计划的灵敏度，即使在现实的内在耗散和噪声的存在下。我们的方法是基于利用集体（即，超辐射）自旋衰变，这是一种通常被视为讨厌的效应，因为它限制了自旋挤压协议。我们表明，我们的方法可以允许一个系统与一个非常不完美的自旋读出接近SQL样缩放$N$在两个因素，而不需要改变实际的读出机制。我们的想法与几个最先进的实验平台兼容，其中固态自旋（NV中心，SiV中心）的合奏耦合到一个共同的微波或机械模式。
2022-12-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optoacoustic entanglement in a continuous Brillouin-active solid state system
本文提出在连续布里渊有源固态波导中利用光泵浦脉冲激发斯托克斯过程，产生抗热涨落的光子-声子纠缠，并设计双泵浦同时探测方案实现读出，且无需预先制备声子基态。
2024-01-19 quant-ph
Solid-State Quantum Communication With Josephson Arrays
约瑟夫森结阵列可以用作量子信道，在远距离站点之间传输量子信息。在这项工作中，我们讨论了简单的协议，以实现高保真状态传输。通道不需要复杂的门控，而是使用适当设计的阵列的自然动力学。我们调查的影响，静态无序的约瑟夫森能量和耦合的背景门电荷，以及动态噪声的影响。我们还分析了读出过程，及其对状态转移的反作用。
2004-08-07 cond-mat.supr-con quant-ph
Thermally-Polarized Solid-State Spin Sensor
近年来，基于自旋缺陷系综的量子传感器得到了快速发展，具有广泛的目标应用。历史上，这些传感器使用光学方法来制备或读出量子态。然而，这些方法限于光学可极化的自旋缺陷，并且自旋系综尺寸通常受到可用光功率或可接受的光热负荷的限制。我们展示了一个固态传感器采用非光学状态的准备技术，利用缺陷的零场分裂引起的热人口不平衡。读出是使用最近演示的微波腔读出技术，导致在传感器架构，是完全非光学和广泛适用于所有固态顺磁缺陷与零场分裂。在这项工作中的实现使用铬$^{3+}$缺陷的蓝宝石（Al $_2$ O $_3$）晶体和一个简单的微波架构，其中主机晶体也作为高品质因数谐振器。这种方法产生了一个接近统一的填充因子和高的单自旋光子耦合，产生一个磁强计的宽带灵敏度为9.7 pT/ $\sqrt{\text{Hz}}$。
2021-09-03 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
