V型三能级金刚石氮空位色心电磁诱导透明体系中孤子的存取

本文先构建一束弱探测场和一束强控制场所形成的V型三能级金刚石氮空位(NV)色心电磁诱导透明(EIT)模型,随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性.结果表明,一旦开启强控制场,体系就会呈现出EIT窗口,且透明窗口的宽度随着控制场磁感应强度的增加而变宽.在非线性情况下,探测场能形成稳定传播的孤子,且可通过开启和关闭控制场的磁场实现孤子的存储和读取,可以有效地克服冷原子介质和量子点介质孤子存取的缺陷.值得一提的是,体系所存取孤子的振幅还可以通过控制场的磁感应强度来进行调节.

近红外光调制下金刚石NV色心自旋动力学与电荷态转化研究

对金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心电子自旋态进行光学操控的过程中,近红外光是一种重要手段,对色心自旋态和电荷态布居能产生显著影响,定量研究近红外光对NV色心自旋动力学的作用具有重要意义。文章用实验测量室温下532 nm激光连续激发单个NV色心产生的荧光时间曲线,并建立七能级模型进行数值模拟,得到各自旋能级间跃迁速率;在此基础上用1040 nm激光对色心荧光时间曲线进行调制,实验数据与数值模拟结果相吻合。研究结果表明,近红外光对金刚石NV色心自旋态的影响主要体现在对电荷态转化速率的提高上,使用功率为40 mW的1040 nm激光和532 nm激光一起照射,可以将电离速率和复合速率分别提升约15倍和30倍。

金刚石氮空位色心体系的量子纠缠态制备

利用金刚石氮空位色心体系耦合于一个双边的光子晶体腔(该光子晶体腔与两个波导耦合)来制备Bell态、GHZ态和团簇态。当光子被探测和进行幺正操作后,就得到纠缠态。同时计算了该体系的保真度,发现在近似参数条件下,该模型可得到较好结果。

基于金刚石氮-空位色心的裂纹无损检测

磁场测量在材料科学、电子工程、电力系统甚至工业领域中扮演着极其重要的作用,尤其是磁场测量为工业无损检测提供了安全又可靠的工具,而磁场测量的灵敏度决定了检测的最高水平。金刚石氮-空位(NV)色心是最近几年发展的一种新型的量子传感器,外界磁场存在会导致金刚石NV色心的基态能级发生塞曼劈裂,通过光学探测磁共振技术(ODMR),利用微波源和锁相放大器探测NV色心的共振频率,最后由共振频率的变化可以精准地计算出出外界磁场的大小和外界磁场变化的灵敏度。实验中将含有高浓度NV色心的金刚石与光纤进行耦合实现磁场扫描式探针的制备,之后对磁化后的铁板焊缝表面裂纹进行扫描,并将扫描的结果绘制成二维磁力分布图,根据磁力分布图的磁场梯度变化可以非常准确地判断出裂纹的位置和大小,为工业安全提供了非常有效的诊断工具。

利用金刚石氮-空位色心精确测量弱磁场的探索

基于金刚石氮-空位色心对精确测量微弱静磁场进行了探索.金刚石氮-空位色心电子自旋的退相干时间高度依赖于外磁场,而不同的退相干特征时间对磁场的灵敏度不同.对金刚石氮-空位色心电子自旋在不同强度外磁场下的退相干过程进行模拟,得到不同退相干特征时间与磁场大小的高准确度关系,提出了基于响应度最高的退相干特征时间测量静态弱磁场大小和方向的方法,并分析了该方法测量静态弱磁场的灵敏度,证明该方法的测量灵敏度比一般磁场测量仪器更高.

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.

金刚石NV色心磁力计极限灵敏度优化方法

光探测磁共振（ODMR）信号作为氮空位（NV）色心磁力计进行磁检测的主要手段,其主要受到微波功率强度和激光功率强度的影响。对金刚石NV色心磁力计展开研究,根据其检测原理,探究其极限灵敏度优化方法。搭建了ODMR信号的检测系统,对ODMR信号的激发功率进行了探究。实验结果表明在该实验系统下,微波功率约为60 mW、激光功率约为10 mW是最优的ODMR信号激发功率,可以使磁力计灵敏度达到最优,得到其理论值为17.80 nT/Hz^1/2。为金刚石NV色心磁力计灵敏度的进一步提高提供了改进方法。

基于神经网络的金刚石色心自动识别算法实现

文章研究了金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心量子调控平台中的NV色心位置识别和检测。在目前的实验平台上,对于NV色心位置的辨别主要依赖实验人员以往的经验,再借助光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)实验来确认是否为NV色心。为了更精准地检测色心,文章把辨别金刚石NV色心作为目标检测问题来处理,对已有的基于神经网络的目标检测框架进行研究,并针对NV色心的识别问题进行改进,提出了基于卷积神经网络的金刚石NV色心自动识别框架。与人工识别相比,该框架具有识别准确率高、识别速度快、抗噪能力强等优势。

基于磁集聚效应的系综NV色心磁检测增强

高灵敏色心量子自旋磁检测是弱磁、极弱磁检测及成像应用的关键.本文通过搭建结合磁力线集聚结构(MFC)的系综金刚石氮空位(NV)色心的宽视场磁分布成像系统,对系综金刚石NV色心磁检测增强进行了系统研究.首先基于磁力线集聚效应仿真设计并制造了成对的T型薄片状MFC结构,利用连续波光探测磁共振(ODMR)宽视场磁成像技术对MFC的磁增强效果进行验证.实验测试的MFC间距的最小值为1.0 mm,此时磁增强倍数约为10.35,通过进一步对比不同磁场强度以及不同间距条件下的MFC磁增强效果,验证了MFC磁增强效果的有效性,系统磁检测灵敏度由1.10 nT/Hz^(1/2)提升至0.30 nT/Hz^(1/2).通过进一步对比仿真与测量获得的磁增强倍数与间隙宽度的关系,可对实验系统的磁增强及灵敏度进行有效估计.在MFC间距为0.5 mm时,对应的磁增强倍数可提升至约18.21,磁灵敏度则可达0.25 nT/Hz^(1/2).以上结果表明基于磁集聚效应可以实现系综金刚石氮空位色心磁检测灵敏度的有效提升,为精密量子测量技术在弱磁、极弱磁检测应用方面提供了参考.

基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述

磁测量技术在诸如地磁测绘与导航、无损检测等领域中都有着重要作用。近些年,量子精密测量技术由于其高灵敏度的优点,已逐渐成为磁测量领域的主流研究方向。与经典的测量方法相比,量子精密测量利用量子系统对环境的敏感性实现对物理量的精确测量,在灵敏度等指标上具有突出优势。金刚石氮-空位色心是金刚石中的一种点缺陷,其对磁场敏感并且能够在室温大气环境下通过光学方法进行初始化和读出。因此,该体系目前已被广泛地应用于磁测量领域。自2008年被提出以来,基于金刚石氮-空位色心体系的磁力计在灵敏度指标和应用潜力等方面的研究都取得了众多进展。目前,金刚石磁力计对低频和高频磁场都能够实现亚皮特斯拉(sub-pT)量级的磁测量灵敏度。同时,金刚石晶格结构的稳定性使得氮-空位色心系综在矢量磁场测量技术方面具有高正交度等方面的优势,这也将推动地磁导航等领域的进步。在应用研究方面,该体系已在生物磁信号测量、涡流磁成像、古地磁学中的矿石检测等诸多领域崭露头角。未来,金刚石磁力计将逐渐在优化灵敏度指标的同时兼顾集成化研究,为磁测量应用提供新方法与新工具。

基于复合纳米振子系统的光学质量传感

提出了一种基于金刚石氮-空位(NV)色心-悬臂梁复合纳米机械振子系统,该系统将金刚石NV色心镶嵌在悬臂梁底部,再通过悬臂梁振动形变产生的应力与金刚石NV色心中的自旋电子相互作用实现耦合;进而利用光学泵浦-探测技术研究了该系统的相干光学特性。首先,基于该复合系统的探测吸收谱,提出了一种测量纳米机械振子频率的全光学方案,在红边带的条件下,可通过观测吸收谱中两尖峰的分裂宽度从而确定自旋与纳米机械振子的耦合强度。其次,由于金刚石NV中心电子自旋具有较长的相干时间,因此进一步基于该复合系统提出了一种室温下全光学质量传感方案。

计量量子化、数字化变革下的国内外计量技术发展趋势

美欧发达国家高度重视计量技术发展,将量子、数智等前瞻性、基础性计量技术纳入国家发展战略,抢占科技制高点。近年来,中国在原子频标、冷原子重力计等计量领域取得了突破,已进入国际计量先进国家行列。随着国际计量的量子化、数字化变革,计量不断加速向量子化演进、量传方式逐渐向数智化转型、计量保障技术更加向实战化发展趋势凸显。通过搜集、整理国内外大量计量量子化、数智化和实战化等相关技术文献资料,归纳并分析了计量技术发展趋势,可为计量测试技术发展提供借鉴。

量子计算研究现状与未来发展

量子计算乃至更为广泛的量子信息,是基于量子力学原理发展出来的概念与技术体系,涉及信息的本质及其处理。量子计算利用量子叠加、量子纠缠等资源进行信息编码和处理,已被证明在若干问题上具有相对于经典计算的极大优势,在实用化后将对信息及相关科技产生深远影响。本文概要回顾了量子计算的发展历史,如量子计算思想与概念的形成、重要理论及算法的发展以及应用情况;梳理总结了代表性的量子计算技术路线及其发展态势,如超导量子计算、分布式超导量子计算、光量子计算、囚禁离子量子计算、硅基量子计算及若干其他体系。着眼不同技术路线面临的共性问题,对我国量子计算领域未来发展提出建议:注重战略规划和布局,培养高水平研究团队,加强基础研究、核心技术、关键设备的自主研发。

全光学非破坏微波场分布成像

随着技术的进步,微波集成电路的复杂度和集成度都在不断提高,并且其特征线宽也在不断减小,因此非破坏高分辨微波场近场成像技术对芯片的功能和失效分析至关重要,目前尚没有成熟的技术路线。文章提出了一种基于金刚石氮空位色心的固态量子体系作为传感单元,通过分析色心基态自旋在共振微波场中的量子态演化规律,采用全光学的方法,获得微波场分布的一种精密测量方法。该方法通过搭建光学成像系统进行一次宽场成像来获得芯片整体的微波场分布,具有高效、对近场干扰小等优点,有望在芯片电磁兼容测试、微波芯片失效分析和天线近场分布成像等应用上提供一种全新的测量方案。

固态单自旋量子控制研究进展

在量子物理领域的研究中,量子控制是必不可少的.精确高效的量子控制,是利用量子系统进行实验研究的前提,也是量子计算、量子传感等应用的基础.金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长,可用光学方法实现初始化和读出,通过微波射频场能实现普适的量子控制,是研究量子物理的优秀实验平台.本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果,主要讨论了1)金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理,2)氮-空位色心的退相干机制,3)单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展.