行業(yè)資訊|金剛石NV色心體系量子模擬研究新進展

近日，中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人與理論合作者北京大學(xué)劉雄軍等合作，在金剛石氮-空位（NV）色心體系的量子模擬實驗研究方面取得新進展。他們利用量子淬火動力學(xué)在實驗上模擬了凝聚態(tài)體系中尚未觀測到的三維手性拓撲絕緣體，并對體內(nèi)和表面的拓撲物理進行了全面的實驗研究。該研究成果以"Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator"為題，發(fā)表在近期的《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。

凝聚態(tài)體系中拓撲物相的發(fā)現(xiàn)革新了對量子物質(zhì)基本相認識，相關(guān)研究成為凝聚態(tài)物理的主流研究方向。拓撲材料的基本特性是在體內(nèi)具有非平凡拓撲，邊界則出現(xiàn)和體拓撲相對應(yīng)的邊界態(tài)。在過去的十多年里，人們在尋找新奇拓撲物質(zhì)方面取得了大量突破，發(fā)現(xiàn)了諸多新的拓撲相，如量子霍爾效應(yīng)、對稱保護的拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導(dǎo)體等。盡管如此，在理論預(yù)言的眾多拓撲相中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態(tài)實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術(shù)，可以超越真實體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。諸多拓撲物理在各種量子模擬器上成功實現(xiàn)，包括二維Haldane模型、自旋軌道耦合下的量子反常霍爾效應(yīng)最小模型、一維手性拓撲相和三維半金屬等。通常量子模擬器上只能模擬拓撲體態(tài)或者邊界態(tài)，但無法做到同時模擬體內(nèi)和邊界，進而準確研究體-邊對應(yīng)。

最近北京大學(xué)劉雄軍教授組提出了平衡態(tài)拓撲物相的動力學(xué)表征理論 [Science Bull. 63, 1385 (2018)]，可以在動量空間得到普適的體-面（能帶反轉(zhuǎn)面）對應(yīng)，類同于拓撲相在實空間的體-邊對應(yīng)，為基于量子模擬研究拓撲物性提供了理論基礎(chǔ)。隨后，中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士和王亞教授等利用金剛石氮-空位缺陷自旋體系首先在二維拓撲體系上實驗觀測到了該動力學(xué)體-邊對應(yīng)關(guān)系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。

在該研究中，他們進一步將上述方法擴展到三維手性拓撲絕緣體這一尚未在凝聚態(tài)體系中觀測到的拓撲相中。在金剛石NV色心量子模擬器上，調(diào)控三維手性拓撲絕緣體在動量空間中的哈密頓量，利用量子態(tài)的動力學(xué)演化來表征哈密頓量，從而實現(xiàn)拓撲物相的動力學(xué)表征。實驗結(jié)果不僅進一步支持了理論方法在向高維拓撲體系拓展的適用性，也觀察到了對稱性對拓撲相的保護、拓撲荷圖像、以及衍生拓撲轉(zhuǎn)變等一系列物理現(xiàn)象，加深了動力學(xué)拓撲物相研究的理解，為更廣泛的拓撲物相的研究打下了基礎(chǔ)。

實驗中使用的金剛石固態(tài)單自旋體系因其在室溫下就易于初始化、操控和讀出，是當前發(fā)展較為成熟的量子調(diào)控實驗體系，在實現(xiàn)固態(tài)量子計算、量子模擬和量子精密測量等研究中具有很好的應(yīng)用前景。中科院微觀磁共振重點實驗室研究團隊一直致力于該體系的量子相干控制和應(yīng)用研究，僅在量子模擬方向上就發(fā)表了多篇高水平研究論文[如Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016), Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)等]。

近年來，該團隊深入發(fā)展金剛石色心樣品制備等底層關(guān)鍵技術(shù)，已掌握高純金剛石樣品的制備工藝，自主制備的NV色心在相干時間T₂^*與熒光計數(shù)關(guān)鍵物理性能上達到國ji先進水平。正是得益于自制樣品的*性能，以及團隊在固態(tài)自旋量子態(tài)操控上的領(lǐng)xian技術(shù)，才使得本次量子模擬實驗研究得以完成。未來通過進一步發(fā)展與提升金剛石單自旋樣品的性能、調(diào)控技術(shù)和單次讀出探測技術(shù)等，有望推進金剛石單自旋體系在量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用。

金剛石NV色心簡述

金剛石NV色心是金剛石晶體中的一種缺陷，由一個取代碳原子的氮原子和相鄰一個空位（碳原子缺失）組成。NV色心有六個電子，兩個來自氮原子，三個來自與空位相鄰的碳原子，另外一個是俘獲的（來自施主雜質(zhì)的）電子。金剛石NV色心是一種符合DiVincenzo標準的量子計算體系。金剛石NV色心一般存在兩種電荷狀態(tài)，一種是電中性NV⁰，另一種帶一個負電荷NV^-，量子計算中用到的體系一般為后一種。

NV色心的基態(tài)可以等效為自旋為1的電子自旋，其中的兩個自旋能級可以用來編碼量子比特。結(jié)合N（N的兩種同位素¹⁴N和¹⁵N均具有核自旋）以及相鄰的¹³C核自旋，每個NV色心可以看成由數(shù)個量子比特組成的量子寄存器。不同的NV色心可以通過磁或光子的方式耦合，從而形成用以量子計算的可擴展系統(tǒng)。通過¹²C同位素富集，NV色心中量子比特可具有長的相干時間。可以通過施加激光實現(xiàn)對NV色心電子自旋的初始化和讀出，通過施加微波和射頻脈沖實現(xiàn)量子邏輯門。目前NV色心自旋體系的單比特量子邏輯門的保真度可達99.995 %，兩比特量子邏輯門的保真度可達99.2 %。

金剛石中氮空位（NV）色心的四個可能方向。碳原子以黑色表示，氮原子以藍色表示，空位（V）以白色表示。NV電子旋轉(zhuǎn)由紅色箭頭指示。

國儀量子公司發(fā)布的量子鉆石單自旋譜儀也可用于量子模擬實驗研究。量子鉆石單自旋譜儀是一臺基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振為原理的量子實驗平臺，通過控制光、電、磁等基本物理量，實現(xiàn)對鉆石中NV色心發(fā)光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，具有初態(tài)是量子純態(tài)，自旋量子相干時間長，量子操控能力強大，量子塌縮測量實驗結(jié)果直觀等*優(yōu)勢。

量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結(jié)構(gòu)解析等應(yīng)用中具有獨到優(yōu)勢，可實現(xiàn)單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細胞溫度、磁場、動作電位探測等。

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