Optical bistability in artificial composite nanoscale molecules: Towards all optical processing at the nanoscale
从理论上研究了由半导体量子点和贵金属纳米颗粒组成的人工复合纳米分子的光学响应。我们考虑了由Au粒子和CdSe或CdSe/ZnSe量子点组成的系统，并预测了其响应的光学双稳态和滞后，这表明了各种应用，特别是全光处理和光存储。
2010-12-28 physics.optics quant-ph
Quantum Memory Enhanced Multipoint Correlation Spectroscopy for Statistically Polarized NMR
本研究提出一种结合相关光谱和量子异频检测的多点相关光谱法，用于提高统计极化纳米尺度核磁共振的灵敏度和测量效率。
2025-12-17 quant-ph
Towards chemical structure resolution with nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy
核磁共振（NMR）光谱已经接近单分子灵敏度的极限，然而光谱分辨率目前不足以获得关于化学结构和分子相互作用的详细信息。在这里，我们证明了两个以上的数量级的光谱分辨率的改善，通过执行相关光谱与浅氮空位（NV）在金刚石磁传感器。原则上，该分辨率足以观察$\sim$ 1 T磁场中的化学位移，目前受到表面分子扩散的限制。我们测量了在金刚石表面处的（5nm）$^3$体积内的$D = 0.15 - 0.2$ 1nm $^2/\mathrmμ$的油扩散速率。
2015-06-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Heterodyne Sensing of Nuclear Spins via Double Resonance
纳米级核磁共振（NMR）信号可以通过与顺磁电子传感器自旋的超精细相互作用来测量。外差方法被广泛用于克服电子自旋寿命限制的光谱分辨率。它使用一系列修改的哈恩回波脉冲序列与进动信号相干地应用，从而产生二次采样的NMR信号。由于应用高电子拉比频率的挑战，其应用限于低场，因此该方法的全部潜力尚未在高磁场下开发，这对NMR有利。在这里，我们提出了外差检测利用一系列的相位相干电子核双共振传感块，扩展纳米级NMR协议，以任意磁场。我们证明了这一原则上的一个单一的NV中心，无论是与内在的$^{14}$ N和每周耦合$^{13}$ C核自旋浴周围的单一NV中心。我们比较我们的协议，现有的外差协议，并讨论其前景。这项工作铺平了道路，高场纳米外差NMR协议与NV中心，这是至关重要的减少样品体积和提高化学分辨率。
2022-05-20 quant-ph
Resolving Remoter Nuclear Spins in a Noisy Bath by Dynamical Decoupling Design
我们利用一系列新颖设计的动力学解耦控制器，在实验上解决了金刚石中几个弱耦合核自旋的问题。在普通动力学解耦控制下，一些被退相干隐藏的核自旋信号在时域中向前移动到相干时间范围，从而免于被噪声自旋浴淹没的命运。通过这种方式，解决了更多、更远的单核自旋。此外，检测场可以在亚纳米级上连续调谐。这种方法扩展了纳米级磁力测量的能力，并可应用于其他系统的高分辨率噪声光谱。
2015-06-16 quant-ph
Dynamical decoupling methods in nanoscale NMR
核磁共振（NMR）方案可以借助于量子传感器（例如金刚石中的氮空位（NV）色心）应用于微米和纳米尺寸的样品。这些微小的设备允许在环境条件下以高空间和频率分辨率对核自旋系综进行磁力测量，从而在化学，生物学，医学和材料科学等不同领域产生明显的影响。在实践中，NV量子传感器由具有双重目的的微波（MW）控制场驱动：一方面，MW场桥接NV与附近核之间的能隙，这使得它们之间能够进行相干和选择性耦合，而另一方面，MW场去除NV上的环境噪声，从而导致增强的询问时间。在这项工作中，我们审查不同的MW辐射模式，或动态去耦技术，纳米级NMR应用。
2021-07-16 quant-ph
Wide-band, nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond
我们展示了一个宽带全光学方法的纳米磁共振（MR）光谱在环境条件下。我们的方法依赖于探针自旋，金刚石中氮空位中心的电子自旋和目标自旋之间的交叉弛豫，因为这两个系统被调谐到共振。通过在改变所施加的静磁场的振幅的同时光学地监测探针自旋的自旋弛豫时间（$T_1$），获得目标自旋共振的频谱，即$T_1$ -MR谱。作为概念的证明，我们测量了金刚石内探针自旋周围的小的$^{14}$ N杂质系综的$T_1$-MR谱，其中每个杂质包括电子自旋1/2和核自旋1。固有的大带宽的技术和探针性能使我们能够检测电子自旋跃迁-在GHz范围内-和核自旋跃迁-在MHz范围内-的$^{14}$ N自旋目标。测得的频率被发现是在极好的协议与理论预期，并允许我们推断超精细，四极和旋磁常数的目标自旋。在$T_1$ -MR光谱中获得的共振强度的分析表明，电子自旋跃迁探测通过偶极相互作用，而核自旋共振显着增强超精细耦合和电子介导的过程。最后，我们从理论上研究了在没有超精细相互作用的情况下对核自旋进行$T_1$ -MR波谱的可能性，并预测了使用当前技术的单质子灵敏度。这项工作建立了$T_1$ -MR作为一个简单而强大的纳米级MR光谱技术，宽带能力和预测的灵敏度下降到单核自旋水平。
2016-04-01 quant-ph
Blueprint for nanoscale NMR
金刚石中的氮空位（NV）中心已被用作超灵敏磁力计，以在1 - 100 nm长度尺度下对统计极化样品进行核磁共振（NMR）光谱分析。然而，通过NV传感器相干时间和通过核通过检测体积的快速分子扩散，光谱线宽通常限于kHz水平，这反过来对于实现长的核相干时间是关键的。在这里，我们提供了一个蓝图的设置，结合了足够的灵敏度检测NMR信号从纳米到微米尺度的样品与光谱分辨率，仅限于核自旋相干，即与传统的NMR。我们的协议检测沿外部磁场的方向与近表面NV中心使用锁定检测技术，使相位相干信号平均诱导的核极化。使用NV中心的NMR检测器和光学超极化源的双重作用，以增加信噪比，并结合贝叶斯干涉模型的信号处理，纳米/微米级NMR光谱可以进行亚毫摩尔样品浓度，几个数量级优于目前的技术水平。
2017-06-21 quant-ph
Quantum many-body theory for electron spin decoherence in nanoscale nuclear spin baths
纳米尺度系统中电子自旋的退相干对于量子信息处理和磁测量等量子技术具有重要意义。它也是研究量子与经典现象交叉的理想模型问题。在低温或自旋轨道耦合较弱的轻元素材料中，纳米结构中的声子散射不那么重要，核自旋的波动成为电子自旋的主要退相干机制。自20世纪50年代以来，人们发展了半经典噪声理论来理解电子自旋退相干。在基于自旋的固态量子技术中，相关系统处于纳米尺度，并且核自旋浴是需要量子描述的量子对象。近年来，人们建立了量子图像来理解退相干现象，并发展了量子多体理论来定量描述这一现象。反常的量子效应已经被预言，有些已经被实验证实。发展了一个系统的截断的团簇关联展开理论，用以解释纳米级核自旋池中电子自旋退相干过程中产生的多体关联。该理论已经成功地预测和解释了许多物理系统中的实验结果。在这篇综述中，我们将涵盖这些最新进展。本文也将讨论目前量子多体理论的局限性和未来发展的可能方向。
2017-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）是成熟的技术，可在不同的学科中提供有价值的信息，但目前仅限于宏观样品体积。在这里，我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种，使用氮空位（NV）的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的，浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上，我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者，我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面，以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H，$^{19}$ F，和$^{31}$ P核，以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品，我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号，与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础，例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像，以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Nanoscale Solid-State Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy using Depth-Optimized Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond
体量子材料的核磁共振（NMR）和核四极共振（NQR）光谱学提供了对诸如量子相临界性、磁性和超导性等现象的洞察。随着具有磁性现象的纳米级2-D材料的出现，感应检测的NMR和NQR光谱学不足以灵敏地检测纳米材料中的较小数量的自旋。金刚石中的氮空位（NV）中心已经显示出将NMR和NQR光谱的分析能力带到纳米级的希望。然而，由于缺陷中心的深度依赖性形成效率、来自表面自旋的噪声、能带弯曲效应以及核磁场的深度依赖性，关于极化自旋的表面NMR的理想NV深度存在模糊性。在这项工作中，我们准备了一系列的浅NV系综层深度，并确定了理想的NV深度进行NMR光谱的偏振\fluorine{}在Fomblin油的金刚石表面。我们发现，使用XY 8-N噪声光谱实现SNR为3所需的测量时间在NV深度为5.4 nm处最小。为了证明NV系综的传感能力，我们对六方氮化硼薄片的\boron{}进行NQR光谱。我们比较我们最好的金刚石与以前的工作与一个单一的NV，发现这个合奏提供了一个较短的测量时间与激发直径小至4 $μ$ m。该分析为进一步的实验提供了理想的条件，这些实验涉及具有磁性的2-D材料的NMR/NQR光谱。
2021-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
The role of nuclear spin diffusion in dynamic nuclear polarization of crystalline nanoscale silicon particles
本研究通过第一性原理计算和有限元模拟，发现晶态纳米硅颗粒的超极化增强和弛豫时间与尺寸无关，并揭示了超极化输运机制，为其他材料的自旋扩散研究提供了可调模拟方法。
2024-12-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Robust Detection of High-Frequency Signals at the Nanoscale
我们提出了一种方法，依赖于绝热性的捷径，以实现量子检测的高频信号在纳米尺度上的一个强大的方式。更具体地说，我们的协议为控制场提供定制的幅度和频率，首先，使传感器与高频信号耦合，其次，最大限度地减少错误，否则会破坏检测过程。为了验证这种方法，我们特别提出了用氮空位中心量子传感器探测快速旋转核自旋发射的信号。然而，我们的协议是直接适用于其他量子器件，如硅空位中心，锗空位中心，或碳化硅中的双空位。
2020-11-23 quant-ph
Construction and operation of a tabletop system for nanoscale magnetometry with single nitrogen-vacancy centers in diamond
金刚石中的单个氮空位中心是固态量子磁强计的主要候选者，该磁强计能够检测单个核自旋，并具有在纳米尺度下的核磁共振（NMR）的应用前景。尽管如此，许多化学家和生物学家仍然不太容易使用NV磁力计，因为它的实验设置和操作原理与传统的NMR完全不同。在这里，我们设计，构建和操作一个紧凑的桌面大小的系统，量子传感与一个单一的NV中心，主要是从商业上可用的光学元件和电子产品。我们表明，我们的设置可以实现国家的最先进的量子传感协议，使检测单个$^{13}$ C核自旋在金刚石和它们的相互作用参数的表征，以及检测一个小的合奏质子核自旋在金刚石表面上。这篇文章提供了广泛的讨论的设置和实验程序的细节，我们的系统将重现那些谁没有在NV中心以前的工作。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Loschmidt echo driven by hyperfine and electric-quadrupole interactions in nanoscale nuclear spin baths
核自旋池（NSB）动力学及其量子控制对于半导体环境中量子信息的存储和处理具有重要意义。在载流子自旋存在的情况下，主要是超精细相互作用控制高频NSB特性。在这里，我们首先研究了整体的相干性衰减和rephasings在超精细驱动的NSB通过所谓的Loschirtecho（LE）的时间和频谱行为。其依赖于NSB的大小，初始偏振，耦合不均匀性分别进行了研究，这导致一个简单的唯象表达式，可以容纳所有这些属性。与普遍强调自旋1/2不同，具有较大自旋量子数的NSB被同等地考虑。对于这种情况，另外考虑了核电四极相互作用的影响，其中双轴项对退相干有影响。从模型系统中获得的见解，然后把使用两个通用的现实半导体系统，即，施主中心和量子点，代表小和大的纳米级NSB的例子，分别。大量子点的LE谱可以达到100~MHz范围，而对于施主中心，LE谱降低到几MHz，使得它们易于适用于动态解耦技术。四极相互作用对LE的影响对于大量子点来说可以忽略不计，而对于施主中心来说则变得很重要，最明显的是以去极化NSB的形式。
2018-08-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy using Self-Calibrating Nanodiamond Quantum Sensors
常规的核磁共振（NMR）光谱依赖于从分子的宏观系综获取信号以获得关于分子结构和动力学的信息。将这种技术转移到纳米级样品大小将使分子分析没有平均的影响，在空间和时间的不均匀性，而不需要宏观体积的分析物，这两个固有的大合奏测量。基于大块金刚石芯片内部的氮空位（NV）中心的纳米级NMR实现了单核自旋灵敏度和确定化学结构所需的分辨率，但对于最敏感的设备，它们的检测体积仅限于金刚石表面上方几纳米。这使得它们无法在较厚的结构（如细胞）内以纳米级分辨率用于核自旋传感。在这里，我们展示了在（19 nm）3体积中使用多功能NV-NMR设备内的纳米金刚石，具有典型的30 nm直径的NMR信号从多个核素的检测。该装置检测由少量分析物分子产生的信号，数量级为1000。为了原位使用这些装置，必须针对每个纳米金刚石装置的未知几何形状校正检测到的信号。我们表明，这样的校准可以通过利用金刚石表面上的原子核薄层的信号来执行。这些结果，结合纳米金刚石的低毒性和它们对表面功能化的顺从性，表明纳米金刚石NV-NMR装置可以成为活细胞内基于纳米级NMR的传感的有用工具。
2019-02-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Co-Design quantum simulation of nanoscale NMR
IQM Quantum Computers（IQM量子计算机）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Department of Physical Chemistry, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学物理化学系）
本文展示如何利用噪声中间尺度量子计算机模拟纳米级核磁共振共振，通过协同设计量子处理器减少超过90%的SWAP门数量，实现快速共振器重置。
2022-11-24 quant-ph
Proposed rapid detection of nuclear spins with entanglement-enhanced sensors
最近，在金刚石中探测具有氮空位（NV）中心的核自旋方面取得了重大进展。然而，由于短程偶极-偶极相互作用的性质，需要很长时间才能用NV中心探测到遥远的核自旋。在这里，我们提出了一个快速检测核自旋与NV中心之间的纠缠。我们发现，所需的时间来检测与纠缠的核自旋是几个数量级短于可分离的NV中心。我们的研究结果为纳米核磁共振光谱学的新应用铺平了道路。
2021-05-07 quant-ph
Enhancing Electron-Nuclear Resonances by Dynamical Control Switching
本文提出一种通过动态切换电子自旋拉比频率实现不同能量尺度自旋间共振耦合的通用方法，应用于NV中心可增强量子传感信号和动态核极化，并适用于高场纳米级核磁共振与低功耗核自旋控制。
2023-11-17 quant-ph
Modulated Continuous Wave Control for Energy-efficient Electron-nuclear Spin Coupling
我们开发了能量有效的连续微波方案来耦合电子和核自旋，使用相位或幅度调制来桥接它们的频率差。这些控制在生物系统中具有很好的应用前景，在生物系统中，微波功率应该受到限制，以及在由于大磁场和核磁矩而具有高拉莫尔频率的情况下。这些包括纳米级NMR，其中高磁场实现增强的热核极化和更大的化学位移。我们的控制也适用于量子信息处理器和核极化方案。
2019-01-11 quant-ph
Prospects for Ultralow-Mass Nuclear Magnetic Resonance using Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride
本文提出利用六方氮化硼中带负电硼空位（$V_B^-$）作为纳米核磁共振传感器，克服了NV中心近表面性能退化问题，设计了测量协议并评估了其性能，为超低质量核磁共振提供了新方案。
2025-05-01 physics.app-ph quant-ph
Selective addressing of solid-state spins at the nanoscale via magnetic resonance frequency encoding
金刚石中的氮空位（NV）中心是纳米级传感和成像以及固态量子信息处理的领先平台。到目前为止，已经证明了在纳米尺度上对两个NV电子自旋的单独控制。然而，一个关键的挑战是将这种控制扩展到NV自旋阵列。在这里，我们应用纳米级磁共振频率编码，以实现网站选择性寻址和一致性控制的四个网站阵列的NV自旋。阵列中的位点间隔100 nm，每个位点含有间隔约15 nm的多个NV。在金刚石芯片上制造的微线圈提供约0.1 G/nm的电可调磁场梯度。梯度场和共振微波的定制应用允许位点选择性NV自旋操纵和感测应用，包括拉比振荡、成像和具有纳米级分辨率的核磁共振（NMR）光谱。基于微线圈的固态自旋磁共振为量子辅助传感、量子信息处理和纳米自旋网络的研究提供了一个实用的平台。
2016-10-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum information processing using strongly-dipolar coupled nuclear spins
偶极耦合的均质自旋提出了具有挑战性的，但有用的量子信息处理系统。在这样的系统中，系统哈密顿量的本征基是适当的计算基础，并且可以通过专门设计的强调制脉冲来实现相干控制。在这封信中，我们描述了第一个实验实现的量子算法的数值梯度估计的本征基的四自旋系统。
2006-10-26 quant-ph
Quantum information processing with nuclear spins mediated by a weak-mechanically controlled electron spin
我们提出了一个方案，以实现核-核间接相互作用介导的机械驱动的氮空位（NV）中心的钻石。在这里，我们展示了两个量子比特纠缠门和两个碳核之间的量子态转移。当偶极-偶极相互作用强度远大于驱动场强度时，该方案对NV中心（核自旋）与环境耦合引起的退相干具有鲁棒性。方便地，不需要偶极耦合的精确控制，因此该方案对核自旋和NV中心的波动位置不敏感。我们的计划提供了一个通用的蓝图，多核自旋门和多方通信。
2022-11-17 quant-ph
Quantum information processing using nuclear and electron magnetic resonance: review and prospects
本文介绍了利用核磁共振（NMR）作为实现量子信息处理（QIP）任务的平台的最新进展。详细介绍了核磁共振QIP的基本思想，考察了液态和固态实验的成功和局限性。最后，提出了实现量子处理器的未来方向，利用核和电子自旋自由度。
2007-10-07 quant-ph
The Formation of Photon-Molecules in Nanoscale Waveguides
我们研究了纳米线内光子相互作用系统中光子束缚态的形成。光子通过主要由于辐射压力而沿着波导诱导的振动模式的交换而相互作用。本文用T矩阵近似下的围道格林函数形式处理多体光子问题。T矩阵的复极点是光子分子出现的标志。这种奇异性的分析提供了临界温度，在该温度下，T矩阵近似被打破，光子分子出现。对于强相互作用的慢光子，光子分子波函数的振幅在纳米线内部获得显著的量子非线性相位。光子束缚态可以作为量子逻辑门用于量子信息处理，例如，对于$π$相移，光子分子被示出为用作Z控制门。
2021-12-03 quant-ph
Nanoscale magnetometry using a single spin system in diamond
我们提出了一个协议来估计磁场使用一个单一的氮空位（N-V）中心的钻石，其中的估计精度与时间成反比，~1/T$，而不是时间的平方根。该方法是基于将磁力测量的任务转换为相位估计，使用自适应或非自适应反馈控制对单个N-V核自旋执行量子相位估计，以及最近证明的在N-V内执行单次读出的能力[P. Neumann et.例如，Science 329，542（2010）]。数值模拟结果表明，该方法的估计精度接近1/T（T是总的估计时间），并且此外将给出N-V经历的静态磁场的明确估计。通过将该协议与最近提出的使用N-V的扫描磁力测量相结合，我们的协议将提供信号采集时间的显著减少，同时提供磁场的明确空间图。
2011-03-24 quant-ph
Nonvolatile quantum memory enables sensor unlimited nanoscale spectroscopy of finite quantum systems
在纳米级计量应用中，测量通常受到传感器性能的限制。在这里，我们表明，在核磁共振（NMR）光谱测量使用单氮空位（NV）中心的金刚石，NV传感器电子自旋限制光谱分辨率下降到几百Hz，这限制了有限自旋系统的表征和相干控制，此外，是不够的高分辨率NMR光谱，旨在单分子识别和结构分析后者。为了克服这一限制，我们支持一个NV电子自旋传感器与核自旋量子位作为量子和经典存储器允许中间非易失性存储的计量信息，同时抑制有害的反作用的传感器到系统的调查。我们证明量子和经典的存储寿命分别为8毫秒和4分钟的环境条件下。此外，我们设计和测试的测量和去耦协议，有效地利用这样的内存量子位。使用我们的混合量子-经典传感器设备，我们实现了高分辨率的NMR光谱，单自旋线宽下降到13 Hz。因此，我们的工作是一个先决条件，高分辨率NMR光谱的纳米量子系统下降到单级。
2016-10-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear-electronic spin systems, magnetic resonance, and quantum information processing
硅杂质是量子信息处理的一个有前途的平台，其中量子态由磁共振操纵。这样的系统，在抽象上，可以被认为是一个任意自旋的核通过各向同性超精细相互作用耦合到自旋一半的电子。因此，我们称它们为“核电子自旋系统”。传统的例子，受到密集的实验研究，是磷掺杂的硅（Si：P）耦合自旋半电子到相同自旋的核，具有117.5 MHz的超精细强度。最近，铋掺杂的硅（Si：Bi）已经被建议作为核电子自旋系统的替代实例，与Si：P不同的是其更大的核自旋和分别为9/2和1.4754 GHz的超精细强度。本论文的目的是建立一个能够预测核电子自旋系统磁共振性质的模型。该模型的理论预测已被测试对Si：Bi在4.044 GHz收集的实验数据，并已被证明是相当成功的。此外，与Si：P相比，Si：Bi具有更大的核自旋和超精细强度，预计将为量子信息处理提供优势。其中最值得注意的是，磁场相关的二维消相干自由子空间，称为最佳工作点，已被确定存在于Si：Bi，但不是Si：P。
2013-05-04 quant-ph
Experimental implementation of quantum information processing by Zeeman perturbed nuclear quadrupole resonance
核磁共振（NMR）已广泛用于量子信息处理（QIP）的背景中。然而，尽管NMR和核四极共振（NQR）之间有很大的相似之处，没有实验实施QIP使用NQR已被报道。我们描述了基本量子门的实现及其在静态磁场扰动下利用线偏振射频脉冲产生赝纯态的应用。NQR量子操作是使用KClO 3的单晶样品并观察35 Cl核来实现的，35 Cl核自旋为3/2并产生2量子比特系统。结果是非常有前途的，并表明NQR可以成功地用于进行QIP的基础实验。与NMR相比，NQR的一个优点是主要的相互作用在样品内部，这使得系统更紧凑，降低了成本，并且更容易小型化为固态设备。
2014-04-01 quant-ph
All-optical control of long-lived nuclear spins in rare-earth doped nanoparticles
纳米级系统为量子技术提供了关键能力，包括单量子位控制和读出、多量子位门操作、极其灵敏和局部化的传感和成像，以及构建混合量子系统的能力。为了充分利用这些功能，非常需要多个自由度：在这方面，相干耦合到光并拥有自旋的纳米级系统允许存储光子量子比特或光物质纠缠以及处理能力。此外，与直接RF激发相比，自旋的全光学控制可以用于更快的门操作和更高的空间选择性。因此，这样的系统对于量子通信和处理具有很高的兴趣。然而，一个突出的挑战是保持性能，特别是光学和自旋相干寿命，在纳米级。实际上，与表面相关的扰动的相互作用随着尺寸的减小而强烈增加，尽管最小的物体呈现出与其他系统集成的最高灵活性。在这里，我们展示了在稀土掺杂纳米颗粒中具有长相干寿命（T2）的光控核自旋。我们观察到的自旋回波和测量T2为2.9 +/- 0.3毫秒，在5 K和9 mT的磁场下，一个值可比的散装单晶体中获得的。此外，我们实现了，第一次，自旋T2扩展使用全光自旋动力学解耦和观察激发和回波相位之间的高保真度。因此，稀土掺杂纳米颗粒是唯一报道的纳米材料，其中已经观察到具有毫秒相干寿命的光控自旋。这些结果为在混合体系结构中提供具有长存储时间的量子光-原子-自旋界面开辟了道路。
2017-11-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hybrid quantum magnetic field sensor with an electron spin and a nuclear spin in diamond
最近，基于金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋的磁场传感器已经从实验和理论的角度被研究。这个系统提供了一个纳米级的磁力计，并且可以检测单个自旋的进动。在本文中，我们提出了一个传感器组成的电子自旋和核自旋的钻石。虽然电子自旋与磁场有合理的相互作用强度，但自旋的相干时间相对较短。另一方面，核自旋具有更长的寿命，而自旋与磁场的相互作用可以忽略不计。我们表明，通过这样的两个不同的自旋通过超精细相互作用的组合，有可能构建一个磁场传感器的灵敏度远远超过以前的传感器，只使用一个单一的电子自旋。
2016-08-24 quant-ph
Direct Nuclear-Level Qubits using Trapped Th-229 Ions: A Platform for Entanglement and Universal Quantum Information Processing
本文提出利用俘获Th-229离子作为高保真核能级量子比特的理论框架，通过声子介导和激光边带脉冲实现纠缠操作，为开发核量子信息处理器提供了实用路线图。
2025-08-14 quant-ph
Hybrid nanodiamond-YIG systems for efficient quantum information processing and nanoscale sensing
金刚石中的氮空位（NV）中心具有显著的量子相干性，是室温量子计算和量子传感的理想候选者，近年来得到了广泛的研究。然而，这些方案依赖于自旋-自旋偶极相互作用，这需要NV中心彼此在几纳米内，同时仍然可以单独寻址，或者靠近金刚石表面，在那里它们的相干性显著降低。在这里，我们展示了一种方法，用于克服这些限制，使用混合钇铁石榴石（YIG）-纳米金刚石量子系统的帮助下，直接组装和转印技术构建。我们表明，YIG自旋波可以放大微波源的振荡场超过两个数量级，并有效地介导其与NV中心系综的相干相互作用。这些结果表明，铁磁体中的自旋波可以用作增强的远程量子比特相互作用的量子总线，为混合量子网络和传感设备中固态缺陷的超高效操纵和耦合铺平了道路。
2017-01-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhancing polarization transfer from nitrogen-vacancy centers in diamond to external nuclear spins via dangling bond mediators
本文提出利用金刚石表面悬挂键等局域电子自旋作为介体，结合PulsePol微波序列，实现NV中心到外部核自旋的高效鲁棒极化转移，以提升核磁共振灵敏度。
2024-01-30 quant-ph
Three-dimensional localization spectroscopy of individual nuclear spins with sub-Angstrom resolution
我们报告精确的本地化光谱实验的个别13 C核自旋附近的中央电子传感器自旋在金刚石芯片。通过检测快速切换的外部磁场中的核自由旋进信号，我们以亚埃分辨率和超过10埃的距离检索核自旋的三维空间坐标。我们进一步表明，费米接触的贡献，可以通过测量核g因子增强的约束。所提出的方法将是有用的映射的原子尺度结构的单分子，纳米级核磁共振光谱学的一个雄心勃勃的重要目标。
2018-06-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale spin detection of copper ions using double electron-electron resonance at room temperature
本文报道了在室温和低磁场条件下，利用金刚石中的单自旋电子-电子双共振技术，对铜离子（Cu $^{2+}$）的纳米级自旋探测和电子顺磁共振（EPR）谱进行了研究。我们意外地测量窄EPR共振线宽$\sim 2-3$ MHz的氯化铜分子溶解在聚赖氨酸。我们还观察到单个Cu $^{2+}$离子的相干Rabi振荡和超精细分裂，这可以用于动态核自旋极化和更高灵敏度的自旋探测。我们解释和分析这些观察使用自旋哈密顿模型的氯化铜分子和数值模拟的预测鹿的响应，并获得一个感测体积$\sim (250 \text{nm})^3$。这项工作将打开大门，铜标记的EPR测量环境条件下的生物分子和纳米材料。
2021-08-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Use of Quadrupolar Nuclei for Quantum Information processing by Nuclear Magnetic Resonance: Implementation of a Quantum Algorithm
量子信息处理（QIP）的物理实现是通过液态核磁共振（NMR），使用分子的弱耦合自旋-1/2核，已经得到很好的建立。在液晶基质中取向的自旋为$>$ 1/2的核是另一种可能性。这样的系统每个原子核有多个量子比特，并且具有大的四极耦合，从而在光谱中产生分离良好的谱线。到目前为止，伪纯态和逻辑门的创建已被证明在这样的系统中使用过渡选择性射频脉冲。在本文中，我们报告了两个新的发展。首先，我们实现了一个需要相干叠加态的量子算法。第二，我们利用四极耦合下的演化来实现多量子比特门。我们在自旋为3/2（2量子比特）的系统上实现了Deutsch-Jozsa算法。实现该算法所需的受控非操作已经在这里通过四极哈密顿量下的进化来实现。该方法已首次在四极系统中实现。由于四极耦合比弱耦合自旋1/2核中的耦合大几个数量级，因此门时间减少，增加了量子计算机的时钟速度。
2003-06-14 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
Diamond Surface Functionalization via Visible Light-Driven C-H Activation for Nanoscale Quantum Sensing
本研究提出一种可见光驱动的C-H键活化策略，在环境条件下直接功能化单晶金刚石表面，兼容近表面电荷稳定的NV中心，实现纳米尺度核磁共振化学传感与单分子光谱分析。
2023-09-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Recursive polarization of nuclear spins in diamond at arbitrary magnetic fields
我们介绍了一种替代的路线，动态计算的核自旋主机的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的方法阐明了光学，微波和射频脉冲递归地转移自旋极化从NV电子自旋。使用相同的基本原理的两个互补的变体，我们证明了氮核自旋初始化接近80%，在室温下，无论是在合奏和单NV中心。与现有方案不同，我们的方法不依赖于水平反交叉，因此适用于任意磁场。这种多功能性应该证明是有用的应用范围从纳米计量灵敏度增强NMR。
2014-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Fourier transform for quantum sensing
量子傅里叶变换（$QFT$）是大量量子算法的关键组成部分。尽管其效率已被证明，但只有少数原理证明演示被报道。在这里，我们利用$QFT$来提高量子传感器的性能。我们实现了$QFT$算法在一个混合量子寄存器组成的氮空位（NV）中心电子自旋和三个核自旋。$QFT$在核自旋上运行，用于处理传感器- NV电子自旋信号。我们证明了$QFT$的量子（自旋）和经典信号（射频（RF））与海森堡有限的精度缩放。我们进一步展示了应用$QFT$对两个不同目标核自旋的核磁共振（NMR）信号进行解复用。我们的研究结果标志着一个复杂的量子算法在传感，这是特别感兴趣的高动态范围量子传感和纳米级NMR光谱实验中的应用。
2020-08-21 quant-ph
Local Realistic Model for the Dynamics of Bulk-Ensemble NMR Information Processing
我们构建了一个局部真实的隐变量模型，描述了高达约12个核自旋的体系综NMR信息处理的状态和动力学。这样一个模型的存在排除了违反任何贝尔不等式，时间或以其他方式，在目前的高温，液态NMR实验。该模型没有提供有效的描述，因为隐变量的数量随着核自旋的数量呈指数增长。
2001-11-28 quant-ph
Determination of the Position of a Single Nuclear Spin from Free Nuclear Precessions Detected by a Solid-State Quantum Sensor
我们报告了一种纳米级量子传感协议，该协议跟踪单个核自旋的自由旋进，并能够估计目标核的方位角--标准多脉冲协议无法确定的参数。我们的协议结合了脉冲动态核极化，相位控制的射频脉冲，和多脉冲交流传感序列与修改后的读出脉冲。使用一个单一的氮空位中心作为固态量子传感器，我们在实验上证明了该协议的一个单一的13 C核自旋在金刚石和唯一确定的晶格位置的目标核。我们的结果为单分子水平的磁共振成像铺平了道路。
2018-06-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale engineering and dynamical stabilization of mesoscopic spin textures
本文提出利用热化过程在金刚石核自旋系综中动态生成并稳定纳米尺度壳层状自旋纹理，通过电子自旋注入和Floquet预热化实现长时间稳定与串行读出，为量子模拟和纳米成像提供新途径。
2025-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Nanometre-scale nuclear-spin device for quantum information processing
我们已经开发了半导体点接触器件，其中在纳米级区域的核自旋相干控制的全电方法。与标准的核磁共振技术不同，该技术通过测量电阻直接检测核自旋的纵向磁化强度，从而实现对核自旋微观量的超灵敏检测。成功地证明了I = 3/2核的四个自旋态的两个能级之间所有可能的相干振荡。基于I = 3/2系统的两个虚拟量子比特讨论了量子信息处理，并且描述了用于在一个和两个量子比特上执行任意逻辑门的方法。提出了一种基于Mz探测的量子态层析方案。作为量子操纵的起点，我们在实验上制备了I = 3/2核自旋系统的有效纯态。
2006-05-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum sensing-enabled deuterium NMR spectroscopy with nanoscale sensitivity at low magnetic fields
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）；Diatope GmbH（迪亚托普有限公司）
本文利用钻石中的氮空位中心实现纳米级灵敏度的氘核磁共振光谱，在低磁场下实现了传统核磁共振无法达到的灵敏度和分子动态研究能力。
2026-04-28 physics.app-ph physics.chem-ph quant-ph
Three-dimensional nuclear spin positioning using coherent radio-frequency control
通过偶极相互作用的距离测量是核磁共振（NMR）应用于分子结构测定的基础，但它们仅提供关于自旋之间的绝对距离$r$和极角$θ$的信息。在这封信中，我们提出了一个协议，也检索方位角$ϕ$。我们的方法依赖于测量后的控制脉冲与校准的外部射频线圈的应用程序的核旋进相位。我们实验证明了在金刚石主晶体中相对于单个氮空位中心的中心电子自旋的单个碳-13核自旋的三维定位。精确定位三维核位置的能力是实现纳米级NMR技术的核心，该技术可以以原子分辨率成像单个分子的结构。
2018-07-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-molecule Scale Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy using a Robust Near-Infrared Spin Sensor
本研究利用4H-SiC中的PL6量子缺陷开发出鲁棒近红外自旋传感器，实现了纳米级单分子核磁共振检测，为低维水相、蛋白质折叠动力学和分子相互作用研究提供了新平台。
2025-12-11 physics.bio-ph quant-ph
Nanoscale NMR of DNA-Functionalized Diamond Using Individual NV Centers
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Calgary（卡尔加里大学）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Fribourg（弗里堡大学）
本研究利用单个NV色心在金刚石纳米柱中实现纳米尺度核磁共振检测氟化DNA，通过共价连接$^{19}$F标记寡核苷酸，结合模拟验证，为表面固定生物分子的单分子结构解析奠定基础。
2026-09-09 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Efficient Detection of Statistical RF Fields at High Magnetic Field with a Quantum Sensor
University of Stuttgart（斯图加特大学）；Max Planck Institute for Solid State Research（马克斯·普朗克固体研究所）；Center for Integrated Quantum Science and Technology（集成量子科学与技术中心）；Sumitomo Electric Industries Ltd.（住友电工株式会社）；Takasaki Institute for Advance Quantum Science（高崎高级量子科学研究所）；University of Tsukuba（筑波大学）
本文提出两种协议，通过整流实现统计振荡信号的相干平均，提升NMR检测效率，将信噪比与测量次数N的关系从N^0.5提升到N^1，显著缩短测量时间。
2025-06-30 physics.app-ph quant-ph
Controlling a nuclear spin in a nanodiamond
利用邻近暗核作为辅助自旋，可以增强金刚石中单个光学亮电子自旋的传感能力。这样的系统，到目前为止，仅在块状金刚石中实现，在磁感测的情况下提供了数量级更高的灵敏度和光谱分辨率，以及在量子信息方案中提供了改进的读出保真度和状态存储时间。在纳米金刚石中，作为移动纳米级传感器提供了额外的机会，电子-核自旋复合物仍然无法获得。我们展示了位于纳米金刚石中氮空位中心4 π的13 C核自旋的相干控制，并显示了这种混合自旋系统的两个组件之间的量子态转移。我们提取了一个核自旋自由进动时间T2* = 26 us，这超过了裸电子自由进动时间在纳米金刚石两个数量级。
2016-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Enhanced strain coupling of nitrogen vacancy spins to nanoscale diamond cantilevers
在金刚石机械谐振器中，氮空位（NV）中心可以通过晶格应变对其能级的影响与受限声子耦合。进入这个系统的强自旋-声子耦合制度需要纳米尺度的谐振器，以克服NV基态自旋子能级的弱应变响应。在这项工作中，我们研究了纳米粒子在金刚石悬臂梁的横向尺寸为几百纳米。NV基态自旋与机械模式的耦合在电子自旋共振（ESR）中检测到，并且其时间动力学通过自旋回波测量。我们的小机械模式体积导致自旋-声子耦合强度比以前的NV-应变耦合演示增强10- 100倍。这是迈向强自旋-声子耦合的重要一步，其可以实现声子介导的量子信息处理和量子精密测量。
2015-11-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
A robust, scanning quantum system for nanoscale sensing and imaging
可控的原子尺度量子系统作为纳米成像和计量学的敏感工具具有巨大的潜力。可能的应用范围从纳米级电场和磁场传感到单光子显微镜、量子信息处理和生物成像。这种方案的核心是能够扫描和准确定位感兴趣样品的几纳米内的鲁棒传感器，同时保持传感器的量子相干性和读出保真度。这些组合的要求对于依赖于将单个固态量子系统或单分子直接接枝到扫描探针尖端上的所有现有方法来说仍然是一个挑战。在这里，我们展示了一个强大的和隔离的原子级量子传感器的扫描探针显微镜的制造和室温操作。具体来说，我们采用了高纯度，单晶金刚石纳米柱探针含有一个单一的氮空位（NV）的颜色中心。我们通过进行定量纳米级磁场成像和近场单光子荧光淬灭显微镜来说明我们的扫描NV传感器的多功能性和性能。在这两种情况下，我们获得的成像分辨率在20 nm的范围内和灵敏度前所未有的扫描量子探针显微镜。
2011-08-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
