近日，合肥工業(yè)大學(xué)電物學(xué)院量子信息實(shí)驗(yàn)室在金剛石NV色心量子調(diào)控技術(shù)上取得多項(xiàng)進(jìn)展，分別完成了多比特強(qiáng)耦合量子寄存器的制備，以及NV色心電子自旋態(tài)的Wigner函數(shù)表征。兩項(xiàng)成果分別發(fā)表于應(yīng)用物理著名學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Applied》（中科院JCR一區(qū)）和《Applied Physics Letters》（自然指數(shù)雜志）上。

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據(jù)了解，金剛石NV色心是目前量子信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，它是金剛石中由氮原子（N）和鄰近的空穴（V）組成的一個(gè)分子缺陷結(jié)構(gòu)，結(jié)合附近的核自旋可以組成一個(gè)可在常溫下控制的量子寄存器。由于金剛石NV色心尺寸在納米以下，且具有高旋磁比等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于單分子核磁共振，微觀電磁場(chǎng)成像和細(xì)胞成像等研究中。目前針對(duì)金剛石NV色心電子自旋的量子態(tài)制備和控制可以很好實(shí)現(xiàn)，但其附近單個(gè)強(qiáng)耦合核自旋的量子態(tài)制備保真度只有77%不到，嚴(yán)重限制了其作為量子寄存器應(yīng)用中的效率。

在多比特強(qiáng)耦合量子寄存器的制備中，該實(shí)驗(yàn)室研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)制備過程的低效率來源于激光引起的NV色心的離子化，并將調(diào)制激光技術(shù)引入該制備過程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合仿真計(jì)算證明了該技術(shù)能夠大大減小色心離子化的概率。通過這些新方法，該實(shí)驗(yàn)室將單個(gè)強(qiáng)耦合核自旋的極化效率提高到了98%以上，雙核效率達(dá)到96%以上。該工作第一及通信作者為徐南陽教授，中科大王亞教授，杜江峰院士為共同通信作者。

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在NV色心電子自旋態(tài)的Wigner函數(shù)表征研究中，該實(shí)驗(yàn)室完成了NV色心電子自旋的量子態(tài)Wigner函數(shù)重構(gòu)工作。隨著量子比特?cái)?shù)的增加，傳統(tǒng)的量子態(tài)評(píng)估方法即密度矩陣重構(gòu)在實(shí)踐中變得困難。另一方面用于描述連續(xù)自由度的量子系統(tǒng)的Wigner 函數(shù)方法具有不依賴于量子比特?cái)?shù)的優(yōu)點(diǎn)。最近很多研究小組嘗試將 Wigner 函數(shù)方法推廣到有限維希爾伯特空間的量子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于 Wigner 函數(shù)的金剛石 NV 色心單個(gè)電子自旋量子態(tài)的重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中重構(gòu)的 Wigner 函數(shù)包含了與密度矩陣完全相同的信息，可以描述近乎純粹的退相干過程中的單個(gè)量子比特的量子態(tài)的演化。該工作第一作者為陳冰副教授，徐南陽教授和牛津大學(xué)申恒研究員為共同通信作者。

該校電物學(xué)院量子信息實(shí)驗(yàn)室由徐南陽教授領(lǐng)導(dǎo)，主要成員包括陳冰副教授和錢鵬副教授。研究方向?yàn)榛谧孕驮芋w系的量子控制和量子精密測(cè)量。這些工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金委面上及青年基金項(xiàng)目，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等的支持。