Optically pumped spin polarization as a probe of many-body thermalization
无序和输运之间的相互作用是理解广泛的物理过程的核心问题，最显著的是系统达到热平衡的能力。无序和许多身体相互作用是相互竞争的，其中一个或另一个的主导地位产生了根本不同的动力学阶段。在这里，我们研究了13 C在金刚石中的自旋扩散动力学，我们通过工程色心的光自旋泵浦在室温下动态地进行了表征。我们专注于低丰度，强烈的超精细耦合核，其在极化输运中的作用，我们暴露通过可变的射频激发可观察到的散装13 C磁共振信号的综合影响。出乎意料的是，我们发现良好的热接触整个核自旋浴，几乎独立的超精细耦合强度，我们归因于有效的碳-碳相互作用介导的电子自旋系综。特别是，在超精细耦合的整个范围内的观察表明，核自旋扩散常数的值比同质核自旋耦合的预期值大两个数量级。我们的研究结果打开了有趣的机会，通过控制浴内的内部相互作用来研究系统中热化的发生。
2020-05-01 quant-ph
First-principles investigation of hyperfine interactions for nuclear spin entanglement in photo-excited fullerenes
光激发富勒烯超精细相互作用的研究在核自旋纠缠量子信息技术中具有重要意义。在这里，我们报告的第一性原理赝势研究的超精细耦合参数的光激发富勒烯衍生物以及小的有机自由基。计算是在规范不变投影缀加波方法[C. Pickard和F. Mauri，Phys. Rev. B. 63，245101（2001）]。为了建立这种方法的准确性，我们比较我们的结果与全电子计算和实验。在富勒烯衍生物的情况下，我们研究了自旋三重态激子态的超精细耦合，并将我们的计算结果与最近的电子顺磁共振测量结果进行了比较[M。Schaffry等人，物理修订版信函104，200501（2010）]。我们讨论了我们的结果，在光激发的发色团纠缠远程核自旋最近的建议。
2012-01-27 physics.chem-ph quant-ph
Ideal refocusing of an optically active spin qubit under strong hyperfine interactions
本文利用晶格匹配的GaAs-AlGaAs量子点器件消除应变不均匀性，结合高保真光学pi-pulse门实现动力学解耦，将电子自旋相干时间延长近两个数量级至0.113(3) ms，实现了强超精细相互作用的理想重聚焦，为高相干自旋-光子接口奠定基础。
2022-06-02 cond-mat.mes-hall 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
Resolved Raman sideband cooling of a single optically trapped cesium atom
提出一种对磁场不敏感的分辨拉曼边带冷却方案，通过单一超精细态内双光子拉曼过程，在50毫秒内使82%的单光阱铯原子达到三维运动基态，提升了长期稳定性。
2024-01-01 physics.atom-ph quant-ph
Quantum State Engineering using Single Nuclear Spin Qubit of Optically Manipulated Ytterbium Atom
将单个Yb原子加载到具有移动晶格的高精细光学腔中，并使用核磁共振技术操纵其核自旋态。全量子态层析证实了高可靠性的量子态控制，保真度和纯度分别大于0.98和0.96;采用腔QED技术实现了高速（500 μ s）和高效率（0.98）的投影测量。由于只有在投影测量工作时才产生超精细耦合，因此保持了较长的相干时间（T_1 = 0.49s和T_2 = 0.10s）。我们的技术可以应用于实现一个可扩展的单向量子计算与集团态的光晶格。
2011-01-12 quant-ph
Slow and fast light behavior of single photons from a quantum dot interacting with the excited state hyperfine structure of the Cesium D1-line
不同量子系统之间的混合接口在量子网络的实现中起着重要作用。量子态必须存储在存储器中，以同步光子到达时间，从而通过量子中继器中的投影测量进行纠缠交换或进行纠缠纯化。在这里，我们分析了单光子波包通过色散和吸收介质的高光谱分辨率的失真。单光子是从单个In（Ga）As量子点产生的，其激子跃迁相对于铯D1跃迁精确设置。在200 MHz窄带单片法布里-珀罗腔中，详细研究了具有近傅里叶极限宽度的单光子波包的光谱延迟。观察到铯原子激发态超精细结构的“慢光”和“快光”行为。作为室温碱蒸气存储器的一个步骤，量子点光子延迟5 ns的两个1.17 GHz的超精细分裂激发态跃迁之间的强色散。基于对超精细分裂基态的光抽运，我们提出了一种简单的、全光可控的量子网络中窄带光子同步方法。
2019-04-17 quant-ph
Coherence of a qubit stored in Zeeman levels of a single optically trapped atom
实验研究了Rb-87原子5S_（1/2），F=1超精细基态塞曼子态中量子比特的相干特性。自旋为1的单原子系统的拉莫尔旋进是通过在定义的初始自旋状态下制备原子，然后在可编程的自由演化期后测量所产生的状态来观察的。另外，通过执行量子态层析成像，收集关于自旋相干性的最大知识。通过使用主动磁场稳定并且不施加磁引导场，我们实现了T2*=75的横向和纵向失相时间。150 \mus，T1>0.5 ms。我们推导了单原子在近似简谐势阱中的光移分布，并表明所测得的原子自旋相干性主要受光阱势中剩余位置和状态相关效应的限制。改进的理解使更长的相干时间成为可能，这是未来应用于光晶格中原子的长距离量子通信和计算或贝尔不等式的无空洞测试的重要先决条件。
2011-07-25 quant-ph
Spectroscopic study of hyperfine properties in $^{171}$Yb$^{3+}$:Y$_2$SiO$_5$
稀土离子掺杂晶体在量子通信和量子信息处理方面具有广阔的应用前景。特别是，顺磁性稀土中心可以用来实现量子相干接口同时为光学和微波光子。本文研究了掺杂$^{171}$ Yb $^{3+}$离子的Y-$_2$-SiO-$_5$晶体的超精细和磁性。这种同位素特别令人感兴趣，因为它是唯一具有电子自旋$S=\frac{1}{2}$和核自旋$I=\frac{1}{2}$的稀土离子，这导致最简单的可能的超精细能级结构。在这项工作中，我们确定的超精细张量的光学$^2$ F $_{7/2}(0) \longleftrightarrow ^2$ F $_{5/2}$（0）跃迁的基态和激发态的光谱烧孔和光学检测磁共振技术相结合。由此产生的自旋哈密顿正确地预测磁场的依赖性，所有观察到的光学超精细过渡，从零施加场的高场制度，其中塞曼相互作用占主导地位。利用光学吸收谱，我们还可以确定在这两种状态下的超精细能级的顺序。这些结果为实现基于$^{171}$ Yb $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$晶体的固态光和微波量子存储器奠定了基础。
2018-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
Optically induced nuclear spin polarization in a single GaAs/AlGaAs quantum well probed by a resistance detection method in the fractional quantum Hall regime
在量子霍尔系统中研究了GaAs/AlGaAs单量子阱中光泵核自旋极化。我们应用电阻检测通过接触超精细相互作用，它提供了高灵敏度和选择性，探测少量的极化核自旋在一个单一的井。清晰地观察到了光学核自旋极化的性质。我们从理论上讨论了掺杂电子的核自旋动力学，并对实验数据进行了分析。光学核极化谱表现出电子自旋分辨的最低朗道能级带间跃迁。我们发现，声子发射过程，这通常有助于光抽运过程，影响光学核自旋极化。我们还讨论了电子-电子相互作用在光学核自旋极化中的重要作用。
2013-06-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Gate fidelity, dephasing, and "magic" trapping of optically trapped neutral atom
门操作的保真度和被囚禁在光偶极阱中的中性原子的相干时间是应用的优点。囚禁原子的运动是影响门保真度和相干时间的关键因素之一。在分析这种影响时，将该运动视为经典振子。这里我们把原子的运动看作量子振荡器。在分析量子门的保真度和退相干时，考虑了原子振动态的布居数。我们表明，相干旋转门的保真度是显着的热囚禁原子的温度限制。我们还证明了如果微分频移稳定且振动态不发生变化，则由于原子热运动引起的两个超精细态之间的退相可以自然地再相位化。还讨论了陷阱激光强度起伏引起的退相干。通过将原子冷却到振动基态和/或使用蓝失谐陷阱，可以显著提高门保真度和相干时间。更重要的是，我们提出了一个“魔术”的捕获条件，准备原子进入特定的振动状态。
2022-08-01 quant-ph
Active narrowband filtering, line narrowing and gain using ladder electromagnetically induced transparency in an optically thick atomic vapour
研究了在光学厚Rb原子蒸气中利用$5\rm{S}_{1/2}\rightarrow5\rm{P}_{3/2}\rightarrow5\rm{D}_{5/2}$梯形系统产生的电磁感应透明共振。我们观察到一个强大的线窄化效果和增益在$5\rm{S}_{1/2}\rightarrow5\rm{P}_{3/2}$过渡波长由于能量池辅助频率转换的特性类似于四波混频。结果，可以观察到振幅接近$100\%$且线宽为15 MHz的可调谐和可切换的透明共振。此外，大的线窄化效应允许即使在强功率展宽的存在下也能分辨$^{85}$ Rb $5\rm{D}_{5/2}$超精细结构。
2014-01-24 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Hyperfine level structure in nitrogen-vacancy centers near the ground-state level anticrossing
在轴向磁场约为102.4 mT时，利用光探测磁共振谱研究了氮浓度为1 ppm和200 ppm的金刚石样品中氮空位中心在电子基态能级反交叉（GSLAC）附近的能级.通过施加从0到40 MHz和从5.6到5.9 GHz的频率范围内的无线电波，我们观察到的过渡，涉及混合的超精细相互作用的能级。我们建立了一个理论模型，描述了基态子能级之间的能级混合、跃迁能和跃迁强度，包括NV中心\textquotesingle s $^{14}$ N和$^{13}$ C原子与核自旋的耦合。通过基于理论模型拟合ODMR谱线，将计算结果与实验结果相结合，得到了关于核自旋极化的信息。这项研究对于优化基于GSLAC的应用中的实验条件非常重要，例如，无微波磁力测定法和无微波核磁共振探针。
2019-08-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Engineering Rydberg-pair interactions in divalent atoms with hyperfine-split ionization thresholds
本文利用多通道量子缺陷理论研究了具有非零核自旋的二价原子（特别是${}^{87}$Sr）的里德伯结构，发现了由超精细分裂阈值产生的固有Förster共振，可同时实现谱线稳定和增强的长程相互作用，并提供了适用于阻塞机制及平坦长程势的对态参数。
2024-07-31 physics.atom-ph quant-ph
Room-temperature optically detected magnetic resonance of single defects in hexagonal boron nitride
材料中的光学可寻址自旋是量子技术的重要平台，如中继器和传感器。在二维（2D）分层材料中识别这样的系统提供了优于它们的大块对应物的优势，因为它们的降维使得能够更可行地在芯片上集成到设备中。在这里，我们报告光学检测磁共振（ODMR）从以前确定的碳相关的缺陷在二维六方氮化硼（hBN）。我们发现，单缺陷ODMR对比度可以高达6%，并显示磁场依赖性与每个缺陷的正负号。这种双极性可以揭示到低对比度最近报道的系综ODMR测量这些缺陷。此外，ODMR线形包括一个双重共振，表明低零场分裂或超精细耦合。我们的研究结果提供了一个有前途的路线实现室温自旋光子量子界面在六方氮化硼。
2021-03-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Magneto-optical trapping of bosonic and fermionic neon isotopes and their mixtures: isotope shift of the ^3P_2 to ^3D_3 transition and hyperfine constants of the ^3D_3 state of Ne-21
我们已经用磁光捕获了所有三种稳定的氖同位素，包括稀有的Ne-21，以及所有两种同位素的组合。原子在亚稳态^3 P_2态下制备，并通过640.2 nm处的^3 P_2到^3 D_3}跃迁的激光相互作用进行操纵。这些冷（T = 1 mK）和环境解耦的原子样品提供了理想的对象，精密测量和冷和超冷亚稳原子之间的相互作用的调查。在这项工作中，我们精确测量了Ne-21的^3P_2到^3D_3跃迁的同位素位移和^3D_3态的超精细相互作用常数。测定的同位素位移为：Ne-20至Ne-22的（1625.9 \pm 0.15）MHz，Ne-20至Ne-21的（855.7 \pm 1.0）MHz，Ne-21至Ne-22的（770.3 \pm 1.0）MHz。得到的磁偶极和电四极超精细相互作用常数分别为A（^3D_3）=（-142.4 \pm 0.2）MHz和B（^3D_3）=（-107.7 \pm 1.1）MHz.与之前的测量相比，所有测量的不确定度都降低了约一个数量级。
2011-05-27 nucl-ex physics.atom-ph quant-ph
Dynamics of a mesoscopic nuclear spin ensemble interacting with an optically driven electron spin
在半导体InGaAs量子点的局部环境中同时发生的噪声源（例如电场和磁场波动）之间进行区分的能力是理解它们各自的动力学及其对量子点相干特性的影响的关键。我们提出了一种基于单电子量子点双色共振荧光的全光传感方法，测量结果表明，在没有外部磁场的情况下，由于核自旋引起的局部磁场波动可以用两个相关时间来描述，这两个时间都在微秒范围内。核自旋浴动力学表现出强烈的依赖于共振探测的强度，随着光学跃迁饱和，相关时间增加了四倍。我们解释的行为作为运动平均的骑士场的居民电子自旋和超精细介导的核自旋相互作用，由于光诱导的电子自旋翻转。
2014-11-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Raman heterodyne determination of the magnetic anisotropy for the ground and optically excited states of Y$_{2}$SiO$_{5}$ doped with Sm$^{3+}$
我们提出了全磁g张量的$^{6}$ H $_{5/2}$ Z $_{1}$和$^{4}$ G $_{5/2}$ A $_{1}$电子状态的两个晶体学网站在Sm $^{3+}$：Y $_{2}$ SiO $_{5}$，推导出通过使用拉曼外差光谱沿9个不同的结晶方向进行。基态的最大主g值分别为0.447（1号位）和0.523（2号位），激发态的最大主g值分别为2.490（1号位）和3.319（2号位）。这些g张量的测定提供了必要的自旋哈密顿参数，可用于未来的磁性和超精细研究的Sm $^{3+}$：Y $_{2}$ SiO $_{5}$，在量子信息存储和通信设备中的应用。
2021-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
Probing the Evolution of Electron Spin Wavefunction of NV Center in diamond via Pressure Tuning
理解量子比特波函数的轮廓是其量子应用的关键。与可以使用扫描隧道显微镜来探测电子分布的导电系统不同，对于宽带隙半导体中基于固态缺陷的量子比特，没有直接的方法。在这项工作中，我们使用压力作为调谐方法和核自旋作为原子尺度探针监测压力下金刚石中带负电荷的氮空位（NV）中心的超精细结构。本文详细研究了不同压强下NV心的光探测磁共振（ODMR）谱中最近邻$^{13}C$超精细分裂。通过研究加压后的$^{13}C$超精细相互作用，我们发现NV超精细参数有显著的变化，导致NV电子自旋密度的增加和从$sp^3$到$sp^2$键的再杂化。独立地进行NV中心的超精细能级的应变依赖性的$ab$ $initio$计算。在不引入任何拟合参数的情况下，理论计算结果与实验数据定性一致。此外，该方法也可用于研究其它缺陷体系中波函数的演化。这种潜在的能力可以发挥重要作用，在发展磁力和量子信息处理使用的缺陷中心。
2022-12-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear-spin-dependent coherent population trapping of single nitrogen vacancy centers in diamond
相干布居俘获（CPT）为探测原子系统的能级结构提供了一种高灵敏度的手段。对于金刚石中的氮空位中心，CPT为测量电子基态的超精细结构提供了标准光学检测磁共振方法的替代方案。我们表明，核自旋相关的CPT直接测量由于14 N核自旋的这些状态的超精细分裂。CPT光谱响应中得到的强微波场的存在下，共振或近共振的基态自旋跃迁，映射出动态斯塔克分裂诱导的相干自旋激发。
2013-03-02 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
A diamond nanophotonic interface with an optically accessible deterministic electronuclear spin register
本文提出一种光纤封装的金刚石纳米光子接口，利用锡空位色心与$^{117}$Sn核自旋实现高保真光学核自旋初始化与读出，并在无磁场下展示自旋门控单光子非线性，为可扩展量子网络提供多功能量子节点。
2023-05-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable qubit architecture based on holes in quantum dot molecules
量子点中的自旋是可以通过光脉冲相干控制的固态量子比特的主要候选者。然而，开发基于量子点自旋的可扩展多位信息处理设备存在许多挑战，包括量子点能级的自然不均匀分布，创建与无损读出兼容的全光学自旋操纵协议的困难，以及大量的电子-核超精细相互作用诱导的退相干。在这里，我们提出了一个可扩展的量子位的设计和设备架构的基础上，限制在一个量子点分子中的单个空穴的自旋状态。量子点分子量子比特实现了具有显著增强的波长可调谐性的光学相干控制的新策略。空穴自旋的使用允许通过超精细相互作用抑制退相干，并且使得能够使用由空穴自旋混合的光学激发态介导的拉曼跃迁进行相干自旋旋转。因为自旋混合仅存在于光学激发态中，所以在限定量子位的基态中，退相和退相干被强烈抑制，并且无损读出是可能的。我们提出了量子位和设备的设计和分析的波长可调谐性和保真度的门操作，可以使用这种策略来实现。然后，我们目前的实验和理论进展，实现这种设计。
2012-09-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Decoherence time of the ground state spin of $V_{B}$ centers in hexagonal boron nitride
本文通过考虑偶极超精细和自旋-声子相互作用，研究了六方氮化硼中 $V_{B}$ 中心电子自旋的退相干时间，发现室温下 Hahn-echo 相干时间约为 30 μs，为 hBN 缺陷在量子信息应用中的可行性提供了理论依据。
2025-02-10 quant-ph
Coherent control and suppressed nuclear feedback of a single quantum dot hole qubit
利用量子信息的未来通信和计算技术需要鲁棒且隔离良好的量子比特。III-V族半导体量子点中的电子自旋虽然是有希望的候选者，但它们的动力学受到核自旋浴的不期望的滞后和散肩效应的限制。用空穴取代电子应该会抑制超精细相互作用，从而消除强核效应。使用皮秒光脉冲，我们演示了一个单一的孔量子比特的相干控制，并检查自由感应和自旋回波衰减。在从电子到空穴的移动中，我们观察到显着减少的超精细相互作用，这一点可以通过重新出现无核动力学来证明，同时获得类似的相干时间，受到非核机制的限制。这些结果证明了光控量子点空穴量子比特的潜力。
2011-06-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optical Detection of Coherent Nuclear Spin Control in a Molecular System at Room Temperature
University of Glasgow（格拉斯哥大学）；Imperial College London（伦敦帝国理工学院）
该研究在室温下首次实现分子体系中核磁共振与相干核自旋调控的光学检测，利用有机发色团6,13-二氮并五苯的¹⁴N核自旋，为分子基量子传感提供了核自旋存储器的应用基础。
2026-10-14 physics.chem-ph quant-ph
A Scalable Quantum Computing Platform Using Symmetric-Top Molecules
我们提出了一种新的可扩展的量子计算（QC）平台-碱土金属单甲醇盐（MOCH $_3$）家族的光学捕获顶部分子（STM）阵列。单独的STM形成量子位，并且该系统易于扩展到100至1000个量子位。与原子和双原子分子相比，STM量子位具有用于量子计算的期望特征。围绕对称顶轴的额外旋转自由度产生紧密间隔的相反奇偶性$K$ -双峰，其允许在低电场下完全对准，并且超精细结构自然地提供具有可切换电偶极矩的磁不敏感状态。这些特征导致对电场控制的要求大大降低，提供对环境扰动的最小灵敏度，并且允许可以随意开启的2量子位相互作用。我们详细研究了与我们提出的平台相关的STM的内部结构，考虑到包括超精细相互作用在内的完整有效分子哈密顿量，并确定了可用的STM量子比特状态。然后，我们研究了STM中的电偶极相互作用的影响，这不仅指导了高保真门的设计，而且阐明了STM中偶极自旋交换的性质。在现实的实验参数下，我们估计所提出的QC平台可以产生$10^{-3}$级别的门误差，接近容错量子计算所需的误差。
2019-05-15 physics.atom-ph quant-ph
$\textit{Ab initio}$ and group theoretical study of properties of the $\text{C}_\text{2}\text{C}_\text{N}$ carbon trimer defect in h-BN
面元氮化硼（h-BN）由于其潜在的具有吸引人的光学和自旋性质的光学活性缺陷而成为量子信息处理的有前途的平台。最近的研究表明，碳三聚体可能是负责在可见光谱范围内的h-BN的单光子发射的缺陷。在本理论研究中，我们结合群论与密度泛函理论（DFT）计算来预测中性$\text{C}_\text{2}\text{C}_\text{N}$碳三聚体缺陷的性质。我们发现这种缺陷的多电子态以及可能的辐射和非辐射跃迁的自旋轨道和自旋自旋相互作用的帮助。我们还研究了外磁场和基态超精细相互作用的哈密顿量。最后，我们使用Lindblad主方程模型中的研究结果来预测光学检测的磁共振（ODMR）信号和$g^2(τ)$关联函数。我们的发现可能在量子信息应用中产生重要成果，例如用于量子网络和量子传感的量子中继器。
2021-10-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Oxygen-vacancy quantum spin defects in silicon carbide
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）；Zhejiang University（浙江大学）
研究揭示硅碳中PL5和PL6中心的氧空位起源，通过化学和同位素控制策略确定其结构，为确定性工程这些缺陷奠定基础，推动可扩展的光子器件和高灵敏度量子传感器发展。
2026-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Room Temperature Coherent Control of Spin Defects in hexagonal Boron Nitride
具有可接近自旋态的固体中的光学活性缺陷是固态量子信息和传感应用的有希望的候选者。为了将这些缺陷用作量子构建块，需要对其自旋状态进行相干操纵。在这里，我们实现了对六方氮化硼（hBN）中硼空位（V $_B^-$）中心系综的相干控制。具体地说，通过应用脉冲自旋共振协议，我们测量的自旋晶格弛豫时间（$T_1$）18 $μ$ s和自旋相干时间（$T_2$）2 $μ$ s在室温下。自旋-晶格弛豫时间在低温下增加了三个数量级。此外，采用两个和三个脉冲的电子自旋回波包络调制（ESEEM），我们分离的四极和超精细与周围的核的相互作用。最后，通过应用一种方法将自旋状态从其不均匀的核环境中解耦-“烧孔”-光谱光学检测到的磁共振线宽显着降低到几十kHz，从而将自旋相干时间延长了三倍。我们的研究结果对于量子技术中范德华材料的使用非常重要，特别是在使用hBN作为混合量子系统的高分辨率量子传感器的背景下，包括2D异质结构，纳米级器件和新兴的原子薄磁体。
2020-10-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherence Preserving Leakage Detection and Cooling in Alkaline Earth Atoms
针对光镊原子量子平台的泄漏、加热等误差问题，提出利用类碱土原子核自旋编码结合失谐荧光/共振缀饰方案，实现保相干的QND式泄漏检测与再冷却，助力容错量子计算。
2024-10-30 physics.atom-ph quant-ph
