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英文原題：Integrated manipulation and addressing of spin defect in diamond

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳向東團(tuán)隊(duì)Nano Lett. | 金屬納米線用于固態(tài)自旋的光電集成操控

通訊作者：陳向東，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

作者：?Meng-Qi Ma(馬夢(mèng)岐), Yun-Kun Wu(吳赟琨), Zhi-Wei Liu(劉志威), Han-Xiang Zang(臧翰翔), Long-Kun Shan(單隆坤), Wang Jiang(江旺), Yong Liu(劉勇), Xi-Feng Ren(任希鋒), Xiang-Dong Chen(陳向東), Guang-Can Guo(郭光燦), Fang-Wen Sun(孫方穩(wěn))

背景介紹

對(duì)量子比特的有效操控是量子信息科學(xué)研究的最基本和最重要工具。量子比特的初始化、門控和探測(cè)過(guò)程通常需要從可見光到微波波段的不同電磁場(chǎng)。面對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中緊湊性、低功耗、高可靠性等需求，將多種驅(qū)動(dòng)信號(hào)在同一系統(tǒng)中集成是量子器件開發(fā)的必然選擇。研究人員制備了片上光波導(dǎo)和電子線路分別用于傳輸光和微波信號(hào)。然而，不同驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在空間上的錯(cuò)位分布限制了器件的進(jìn)一步小型化，以及對(duì)量子比特操控的空間分辨率和效率，還可能引入額外的噪聲。因此，一種能夠同時(shí)傳輸多種驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)是發(fā)展集成量子器件所迫切需要的。

圖1.光纖錐-銀納米線-電極復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。金屬銀納米線同時(shí)傳輸微波與光信號(hào)，泵浦金剛石中熒光缺陷的電子自旋態(tài)。

文章亮點(diǎn)

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)孫方穩(wěn)教授研究組在Nano Letters上發(fā)表了基于一維金屬納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的固態(tài)自旋量子比特光電集成操控的工作。利用表面等離激元傳光以及金屬的導(dǎo)電特性，設(shè)計(jì)并優(yōu)化光纖錐-銀納米線-電極的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在銀納米線上同時(shí)傳輸光信號(hào)和微波信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)將該復(fù)合結(jié)構(gòu)用于單晶金剛石中氮-空位色心電子自旋的光學(xué)極化和微波操控。氮-空位色心的熒光輻射和自旋共振信號(hào)測(cè)量結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)和微波場(chǎng)均局域在銀納米線附近。不同驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在空間上的高度重合，大大提高對(duì)自旋比特操控的效率。光信號(hào)與電信號(hào)的傳輸沒有明顯的串?dāng)_，保證了該方法的可靠性。驅(qū)動(dòng)場(chǎng)在微納空間內(nèi)的局域分布則有利于高空間分辨的量子比特尋址。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測(cè)量了氮-空位色心系綜的電子自旋共振譜，演示了該集成器件對(duì)空間中磁場(chǎng)的測(cè)量。

圖2. 銀納米線傳輸?shù)墓鈭?chǎng)與微波場(chǎng)共同作用下的氮-空位色心電子自旋共振信號(hào)。移動(dòng)銀納米線對(duì)不同位置的自旋進(jìn)行操控和探測(cè)。右上的插圖為熒光信號(hào)分布情況。

總結(jié)/展望

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)光纖-納米線-電極結(jié)構(gòu)，得以同時(shí)利用一維納米線導(dǎo)光和導(dǎo)電特性，為實(shí)現(xiàn)高空間選擇性和高效率的量子比特集成操控提供一種新方法。本文的研究結(jié)果有助于集成量子計(jì)算和量子傳感器件的開發(fā)。

相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生馬夢(mèng)岐為文章的第一作者， 陳向東副研究員為通訊作者。

通訊作者信息：

陳向東中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

陳向東，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副研究員。主要從事固態(tài)自旋體系微納量子傳感方面的研究。發(fā)展基于固態(tài)自旋的極弱電磁信號(hào)測(cè)量方法，利用納米空間分辨率量子傳感探索圍觀尺度下材料相變等物理現(xiàn)象與機(jī)制。研究成果在Nature Communications, Science Advances, Phys. Rev. Lett., Light: Science & Applications等期刊發(fā)表論文40余篇。獲授權(quán)多項(xiàng)專利。

研究組主頁(yè)：

https://team.ustc.edu.cn/sunteam/zh_CN/index/730336/list/index.htm

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