合肥工业大学在金刚石NV色心量子调控领域取得多项进展

2020年7月，合肥工业大学电子科学与应用物理学院量子信息实验室在金刚石NV色心量子调控技术上取得多项进展，分别利用纳秒激光脉冲实现了自旋量子系统的高效初态制备（工作一），以及利用固态自旋模拟器模拟量子多体系统的动力学相变（工作二）。这两项工作分别发表于高水平物理学杂志《Photonics Research》和《Applied Physics Letters》上。

图1.利用纳秒激光脉冲实现自旋量子系统高效初态制备的示意图

金刚石NV色心是目前量子信息领域研究的热点方向。金刚石NV色心中的电子自旋常常被作为量子比特或纳米探针，在实验中通常需要利用激光对电子自旋进行初始化（极化）。该极化过程较为复杂，合肥工业大学量子信息团队通过数值模拟结合实验深入研究了激光脉冲宽度对极化效果的影响。在研究中发现当激光脉冲变短时，由于亚稳态布居减少导致最终极化率会有所提升。基于这一发现，该团队发展了一种利用极短激光脉冲（4-5纳秒）进行电子自旋初始化的新方法，该方法在实验中可以将电子自旋的初始化保真度提高约10%，这相当于在相同信噪比的情况下，实验效率可以提高约20%。该工作7月14日在线发表于美国光学会旗下《Photonics Research》杂志上，该杂志2019年影响因子5.720，位于中科院分区I区（物理学）。该工作共同第一作者为博士研究生宋雨萌和田宇，徐南阳教授，陈冰副教授和杜江峰院士为共同通讯作者。

在此前的另一项研究中，团队还利用金刚石NV色心中的电子自旋来实现了自旋链的动力学量子相变过程的模拟。该工作通过能带模型把自旋链从实空间转化到准动量空间，测量了系统处在顺磁相和铁磁相时的速率函数，得到了只有处在顺磁相时才能观测到动力学相变过程。同时在实验上通过测量超越量子关联的量子信息扩散项（out-of-time-order correlation, OTOC）来探测横向场伊辛模型非平衡相变并量化研究了其中量子关联和量子相干的形成。这个实验工作可以被进一步的应用在另外一些多体物理系现象的研究，如多体局域化问题等。工作该发表于5月11日《Applied Physics Letters》杂志上，该杂志为自然指数收录，陈冰副教授为第一作者，硕士生侯先飞为第二作者，徐南阳教授为通信作者，牛津大学申恒研究员为共同通信作者。

上述工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委以及中央高校基本科研业务费等的支持。