金刚石氮空位中心的研究进展及应用

综述了金刚石中氮空位(NV)中心的研究进展及应用。金刚石中NV中心是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子,然后捕获周围的一个空穴形成的,是一种独特的荧光光散射吸收光谱晶格缺陷。首先介绍了金刚石晶体中NV中心的晶体结构以及光学和电学等基本性质。系统综述了金刚石中NV中心的国内外研究现状,包括在物理和生物等领域的重要应用。分析了其在磁场测量、温度测量、角速率测量的超高灵敏度优势,生物标记应用上的稳定性优势以及其他方面的独特的应用前景。指出了金刚石NV中心存在的可扩展性需提高和物理机制需继续研讨等问题,并且展望了金刚石NV中心未来的发展趋势。

金刚石氮-空位中心Bell态的制备

利用基于微环谐振腔的单光子输入-输出过程,从相距较远的2个金刚石氮-空位中心制备出Bell态。对制备过程做了详细的理论推导,并就实现条件进行了讨论。

基于无微波金刚石NV色心测磁技术的电流测量应用

为了在特高压(UHV)环境下使用氮-空位(NV)色心量子测量技术,研究了金刚石主轴与磁场夹角对相应曲线及电流测量精度的影响。构建金刚石氮-空位七能级超精细结构模型,根据仿真结果得到不同磁场方向下最高灵敏度范围和最佳测量范围,从而确定探头的最佳放置角度。基于无微波金刚石氮-空位技术搭建了直流大电流测量实验平台,测试了100~5000A范围内荧光电压对电流的响应曲线。实验结果表明,该平台对5000A直流电流测量误差在0.25%以内。作为无源器件,无微波金刚石氮-空位色心测磁传感器全光纤信号传输具备良好耐压性能,同时可在室温下工作,并具有结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优势,适用于特高压环境下的直流电流测量,为传统电力行业检测提供了新的检测方法。

金刚石中氮空位中心在外加磁场下的电子自旋共振

金刚石中单个氮空位中心的电子自旋在激光辐射下能够发出近红外的光致荧光,增加微波辐射可以对其进行量子调控,是室温条件下实现量子计算机的主要介质之一。本文利用激光共聚焦扫描显微系统观测到了金刚石晶体中氮空位中心的荧光二维扫描图,并通过二次相关函数测量验证了氮空位中心是单光子源。改变微波辐射频率得到了电子自旋共振谱,从而实现了对单个氮空位中心的量子调控。利用设计的可控静磁场研究了氮空位中心在不同磁场方向和大小时的光致荧光特性和自旋共振峰。实验结果表明两个电子自旋共振峰间的频率间距与静磁场的旋转角度成余弦函数关系,与理论分析结果一致。

基于金刚石氮-空位中心系统的光子空间-极化超CNOT门

量子信息学作为一门新兴学科引起了科学家的关注,量子逻辑门是量子信息处理的关键结构。在本文中,我们提出基于金刚石氮-空位中心的偶极诱导透明(DIT)过程,这个金刚石氮-空位中心囚禁于一个耦合到两个波导的光子晶体腔。在Purcell体系中,对于非耦合腔和耦合腔的圆极化光的反射率和透射率的差异是鲁棒且可调的,这说明DIT是明显的。利用该DIT,我们实现了空间极化超CNOT门。在多个自由度的量子比特系统的量子信息协议中它们可以用更少的资源来执行更多的量子操作,这样可以减少能量损耗和光子耗散。

FinFET纳电子学与量子芯片的新进展

综述了后摩尔时代中两大发展热点:鳍式场效应晶体管(FinFET)纳电子学和基于量子计算新算法的量子芯片的发展历程和近两年的最新进展。在FinFET纳电子学领域,综述并分析了当今Si基互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的发展现状,包括FinFET的发展、10 nm和7 nm技术节点的量产、5 nm和3 nm技术节点的环栅场效应晶体管(GAAFET)和2 nm技术节点的负电容场效应晶体管(FET)的前瞻性技术研究以及非Si器件(InGaAs FinFET、WS2和MoS2两种2D材料的FET)的探索性研究。指出继续摩尔定律的发展将以Si基FinFET和GAAFET的技术发展为主。在量子芯片领域,综述并分析了超导、电子自旋、光子、金刚石中的氮空位中心和离子阱等五种量子比特芯片的发展历程,提高相干时间、固态化及多量子比特扩展等的技术突破,以及近几年在量子信息应用的新进展。基于Si基的纳米制造技术和新的量子计算算法的结合正加速量子计算向工程化的进展。

基于室温单自旋磁共振技术的量子精密测量

实现深及单个量子系统的测量技术,能够揭示出在传统宏观测量中被系综统计所平均掉的独特的个体信息.金刚石中的氮–空位色心(NV色心)在室温下具有超长的相干时间,并可以通过光探测磁共振的方式进行单量子体系的操控和读出,已经成为实现量子精密测量和量子信息处理的重要平台.尤其在测磁学方面,朝向单分子成像的研究正在全力进行.本文回顾了基于NV色心的量子精密测量研究,介绍了其在测量磁场、电场、力学系统、温度等方面的相关进展,讨论了本领域今后可能的发展方向.