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金刚石中的氮-空位发光中心的研究

日期:2017-7-21
来源:中国超硬材料网

   量子计算技术最近几年取得了极大的进步,在诸多量子计算的候选系统中,金刚石中的氮-空位发光中心是最特殊的一个,因为用这个系统,高保真度的量子逻辑门可以在常温常压下实现。人们发现,金刚石中带有负电荷的氮-空位发光中心(色心)的电子自旋可以用532纳米的激光来进行极化。色心电子自旋量子数为1,在零磁场下,m=0与m=\pm 1之间的能级劈裂为2.87GHz,m=\pm 1两个能级是简并的。虽然色心所发射的荧光光谱比较宽,从637纳米到800纳米都有分布,但是其零声子谱线是很窄的,在637纳米附近。荧光光谱的强度与色心的电子自旋状态有关系。因此,我们可以用滤波片过滤掉532纳米的激光,对剩下的色心发出的荧光进行探测,从而确定色心电子自旋的状态。某种程度而言,金刚石色心可以被看成是囚禁在金刚石晶格中的离子阱系统。

  如何理解金刚石色心如此好的相干特性呢?首先,我们注意到,金刚石是地球上最坚硬的材料之一,它的德拜温度在1800开。因此,室温下金刚石中的声子谱密度是比较低的。这反映在色心的光谱上就可以看到谱线的红边带上有非常宽的分布,而蓝色边带上的光谱基本上是零。荧光落在零声子线上的比例大概是百分之一。正是由于红蓝边带的不平衡,我们可以用532纳米的激光来极化色心的电子自旋。金刚石中差不多百分之九十九的碳原子都是同位素碳12,它与色心之间不存在超精细结构耦合。只有剩下的百分之一的碳13会存在耦合,随机分布的核磁场会影响色心的相干特性。如果我们用同位素纯化技术获得碳12的纯度超过99.7%金刚石,其中的色心电子自旋在室温下的相干时间就可以超过一毫秒。

  如果色心附近有几个碳13核自旋,那么我们可以通过外加的射频信号和微波信号调控电子与核自旋,进而实现通用的量子逻辑门。到目前为止,保真度最高的逻辑门已经超过了99.9%。我们知道,要实现可纠错的量子计算,最少也得5个量子比特。因此我们需要至少4个核自旋与同一个色心电子自旋耦合起来。这对实验是极大的挑战。我们也可以用离子注入的办法来精确的控制色心的位置,实现相邻两个色心之间的有效耦合。但此时色心的间距在十纳米的量级,通过激光来区分不同的色心就很难了。要更高效的耦合金刚石色心,同时又能确保色心能够被独立的读出,就需要新的方法。

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关键字:金刚石,氮
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