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《中国科大实现室温下二维材料固态自旋色心的相干操控》

  • 来源专题：量子信息科技
  • 编译者： 于杰平
  • 发布时间：2023-10-12

  •  2023年5月20日，中国科大郭光灿院士团队在二维材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺、王轶韬等人与匈牙利魏格纳物理研究中心的Adam Gali教授研究组合作，报道了六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）中一类超亮的具有优异光学性质和自旋性质的单自旋色心，并实现了对其在室温下的相干操控。

       固态自旋色心是实现量子信息技术的重要体系之一，比较著名的是金刚石中的NV色心，目前已经在量子计算、量子传感、量子网络等方面取得重要进展。近年来，宽禁带材料hBN被证明是自旋色心的优秀宿主，由于其二维特性，在低维量子器件制备、近场传感探测等方面相对于三维体材料有特殊优势，hBN中的自旋色心已成为当前的一个研究热点。

       文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38672-6

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相关报告

  • 《中国科大实现室温固态可编程量子处理器》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2019-04-06
    • 近日，中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中国科学院微观磁共振重点实验室首次在室温大气条件下实现基于固态自旋体系的可编程量子处理器。该研究成果以A programmable two-qubit solid-state quantum processor under ambient conditions 为题，发表在1月25日的npj Quantum Information上[npj Quantum Information 5, 9 (2019)]。 　　量子计算利用量子叠加性，能够有效处理经典计算科学中许多难以解决的问题。可编程量子计算是量子计算走向实用化的一个重要条件。对于经典计算而言，用户通常使用同一种硬件架构就可以灵活地完成多种多样的计算任务。但是目前绝大多数量子计算实验仅仅被设计来运行特定的量子算法，如果要执行新的量子算法，往往需要重新配置量子计算的硬件。可编程量子计算概念的提出就是用来解决这一问题，它能够在不改变硬件的前提下，仅需要配置这些量子处理器的若干参数就可以实现各种不同的量子算法。近年来，在离子阱、超导体系和硅量子点体系中已陆续演示了可编程量子计算。但由于室温固态体系中的量子比特通常面临嘈杂的噪声，其量子相干性非常容易受到破坏，因此在室温固态体系中开展可编程量子计算演示仍然是一项艰巨的挑战。 　　杜江峰课题组利用金刚石中的电子自旋与核自旋作为两量子比特体系，首次实现了室温固态自旋可编程量子处理器。研究人员利用绿色激光脉冲实现该量子处理器的初始化和读出功能，并利用一系列高精度的微波与射频脉冲序列来执行量子算法。他们设计了一类普适量子线路，将一系列量子算法的执行转化成为相应的微波和射频脉冲的幅度和相位参数。对于用户而言，仅需要对这一系列参数进行有效配置，就可以完成多种量子算法，避免了繁琐而且昂贵的硬件重新配置。在量子算法执行过程中，研究人员结合前期发展的动力学解耦技术有效抑制固体中嘈杂的噪声带来的不利影响，在该可编程量子处理器上成功运行了Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，算法的成功率超过80%。预期在未来，通过提升该量子处理器的材料（金刚石）性能，譬如降低13C的含量，将有助于进一步提升算法的成功率。该工作展示了可编程量子处理器的灵活性，向构筑室温固态量子计算迈出了重要一步。 　　中国科学院微观磁共振重点实验室伍旸和王亚为该文并列第一作者。此项研究得到科技部、中国科学院和安徽省的资助。
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  • 《中国科大在太赫兹波段主动调控材料和器件研究中取得系列进展》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-07-31
    •         中国科学技术大学教授陆亚林量子功能材料和先进光子技术研究团队在太赫兹主动调控器件研究方面取得系列进展。该团队研究了太赫兹波与超构材料、氧化物超晶格薄膜相互作用机制，并成功制备了超快的太赫兹调制器，率先实现了皮秒级的高调制深度的太赫兹超快开关；同时制备了多功能的太赫兹器件，在单一器件中实现电开关、光存储和超快调制多种功能。相关研究成果近期相继发表在国际学术期刊《先进光学材料》[Adv. Optical Mater.]和《光学快讯》[Opt. Express.]上。 　　太赫兹波具有独特的时域脉冲、低能、谱指纹、宽带等特性，它在物理化学、材料科学、生物医学、环境科学、安全检查、卫星通讯等领域有着广阔的应用前景。其中，影响太赫兹技术发展和应用的关键因素之一是难以获得主动太赫兹调控元器件。超构材料，一种由金属或介质材料的亚波长微结构阵列组成的人工材料，其奇异的电磁响应特性为太赫兹调控器件提供了绝佳的解决方案。遗憾的是，以往基于超构材料的太赫兹元器件均由金属材料构成，加工尺寸固定后，器件的功能在实际应用中便难以主动改变。因此，发展主动调控的太赫兹元器件有着重要的研究意义。 　　通常主动调控是对太赫兹波偏振、振幅、相位等进行调控，调控速度是另外一个指标。一些实际应用也迫切需求对太赫兹波进行超快调控。陆亚林团队设计并制作了基于硅介质的超快调控超表面。通过对硅薄膜进行离子注入和快速热处理工艺，大大减小了硅的载流子寿命并提高了自由载流子浓度。然后通过光刻、刻蚀工艺将硅薄膜加工为能在太赫兹波段共振的圆盘阵列结构的超表面。利用红外飞秒脉冲的激发，率先实现了皮秒级的高调制深度的太赫兹超快开关（开20ps，关300ps），并基于半导体载流子动力学建立理论模型对其进行了合理的解释。相关研究成果近日在《先进光学材料》期刊上线[Adv. Optical Mater. 2018, DOI:10.1002/adom.201800143]。 　　另外，当前研究的太赫兹主动调控器件功能比较单一，即只能在单一外场下实现单一的功能。但单一功能难以适应当今技术发展的要求。因此，在单一器件上，实现多物理场的调控，并实现对太赫兹波的多功能调控，是当前太赫兹技术的发展前沿之一，也是实际应用的现实需求。有鉴于此，该团队基于VO2的绝缘-金属相变，通过将VO2与金属非对称开口谐振环结合，设计了一种太赫兹波段的多功能可调谐复合超表面，并利用国家同步辐射实验室副研究员邹崇文提供的高质量VO2薄膜，通过刻蚀、光刻等工艺制备了器件。此复合超表面能够通过加热和施加电流的方式实现对透射太赫兹波的振幅调控，绝对调制深度高达54%，品质因数高达138%。基于VO2在相变过程中的回滞特性，该复合超表面可以通过电流触发实现室温下对太赫兹波的记忆存储功能。此外，利用超快强脉冲泵浦，此复合超表面还能实现对太赫兹波的超快调控。从而，在单一器件实现了对太赫兹波的多功能调控。相关研究成果近日在《先进光学材料》期刊上线[Adv. Optical Mater. 2018, DOI: 10.1002/adom.201800257]。 　　此外，很多材料在太赫兹波段的响应仍是未知的，而只有研究清楚了各类材料与太赫兹波相互作用的特性，设计主动太赫兹器件才能有迹可循。该团队利用自行搭建的两套太赫兹系统测量并分析了量子功能材料与太赫兹波的相互作用。重点研究了不同周期数的La0.7Sr0.3MnO3/ SrTiO3超晶格薄膜的太赫兹响应，发现了532 nm连续激光的泵浦对此超晶格在太赫兹波段的介电常数具有较大的调控作用，并通过Drude-Lorentz模型的拟合对此现象进行了微观机理的解释，这为寻找新的可用于太赫兹主动调控器件的功能材料开辟了新路径。相关研究成果发表在《光学快讯》[Opt. Express. 26, 7842 (2018)]上。 　　上述论文的第一作者为合肥微尺度物质科学国家实验中心博士研究生蔡宏磊，通讯作者为黄秋萍、陆亚林。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和教育部等关键项目的资助。
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