金刚石中的氮-空位发光中心


量子计算技术最近几年取得了极大的进步,在诸多量子计算的候选系统中,金刚石中的氮-空位发光中心是最特殊的一个,因为用这个系统,高保真度的量子逻辑门可以在常温常压下实现。人们发现,金刚石中带有负电荷的氮-空位发光中心(色心)的电子自旋可以用532纳米的激光来进行极化。色心电子自旋量子数为1,在零磁场下,m=0m=\pm 1之间的能级劈裂为2.87GHz,m=\pm 1两个能级是简并的。虽然色心所发射的荧光光谱比较宽,从637纳米到800纳米都有分布,但是其零声子谱线是很窄的,在637纳米附近。荧光光谱的强度与色心的电子自旋状态有关系。因此,我们可以用滤波片过滤掉532纳米的激光,对剩下的色心发出的荧光进行探测,从而确定色心电子自旋的状态。某种程度而言,金刚石色心可以被看成是囚禁在金刚石晶格中的离子阱系统。

如何理解金刚石色心如此好的相干特性呢?首先,我们注意到,金刚石是地球上最坚硬的材料之一,它的德拜温度在1800开。因此,室温下金刚石中的声子谱密度是比较低的。这反映在色心的光谱上就可以看到谱线的红边带上有非常宽的分布,而蓝色边带上的光谱基本上是零。荧光落在零声子线上的比例大概是百分之一。正是由于红蓝边带的不平衡,我们可以用532纳米的激光来极化色心的电子自旋。金刚石中差不多百分之九十九的碳原子都是同位素碳12,它与色心之间不存在超精细结构耦合。只有剩下的百分之一的碳13会存在耦合,随机分布的核磁场会影响色心的相干特性。如果我们用同位素纯化技术获得碳12的纯度超过99.7%金刚石,其中的色心电子自旋在室温下的相干时间就可以超过一毫秒

如果色心附近有几个碳13核自旋,那么我们可以通过外加的射频信号和微波信号调控电子与核自旋,进而实现通用的量子逻辑门。到目前为止,保真度最高的逻辑门已经超过了99.9%。我们知道,要实现可纠错的量子计算,最少也得5个量子比特。因此我们需要至少4个核自旋与同一个色心电子自旋耦合起来。这对实验是极大的挑战。我们也可以用离子注入的办法来精确的控制色心的位置,实现相邻两个色心之间的有效耦合。但此时色心的间距在十纳米的量级,通过激光来区分不同的色心就很难了。要更高效的耦合金刚石色心,同时又能确保色心能够被独立的读出,我们需要新的方法。

让金刚石色心的量子计算变得容易扩展,不是一件很容易的事情。这里我介绍几个人们正在尝试的方法。

最直接的办法,就是在金刚石中,人工制备出金刚石色心的阵列,色心之间的间距在几十纳米的量级,这样利用色心之间的偶极相互作用,来实现可扩展的量子信息处理。虽然这个办法说起来很清晰明了,可是实现起来非常的难,需要解决诸多技术问题。比如说,如何保证金刚石色心的频率和取向全都是一样的,间距也是是均匀的。 如何保证人工制备出来的色心相干时间足够长等等。通常人们是用离子注入的办法来控制色心的间距的。可是这种注入的色心会引起晶格的畸变,降低其相干特性。必须再经历高温退火,让晶格畸变消除掉。

为了绕开这些技术问题,可以选择用光子作为媒介来耦合遥远的金刚石色心。总的出发点是,做出一个接口器件,能够把金刚石色心与可以飞行的光子量子比特耦合起来,进而实现多个金刚石色心之间的相互交流。金刚石色心既可以发射出637nm的零声子线光子,也可以与2.87GHZ附近的微波光子耦合。如果用光学光子作为飞行量子比特来连接遥远的金刚石色心,所遇到的问题在于,发光效率低,光子收集效率也不高。最终的成功率就非常低。要改进这个技术,需要把色心放入光学腔中,同时也要放置在10K以下的低温环境中,提升光子的收集效率和零声子线的辐射功率。

当然,我们也可以把金刚石色心与超导电路耦合起来,利用超导电路来耦合遥远的金刚石色心。不过此时所需要的环境温度更低,在10mK左右,而单个微波光子与单个色心之间的耦合是很弱的,只能用多个色心集体与超导电路耦合,才能有效的增强这个效应。可是这同时又会引入金刚石色心系综的频谱非均匀展宽问题。换句话说,这多个金刚石色心的频率并不是完全一样的,它们周围可能有残余的应力,细微的改变了它们的频率,或者它们周围的核磁场也有涨落。要解决这个问题,就不得不对色心系综做自旋回波等技术。

最后一种正在发展中的办法,是用声子作为媒介耦合多个金刚石色心。金刚石色心的频率是受晶格应力的调制的。而声子正好可以改变应力,进而与色心耦合起来。从原理上来说,比较高频率的的声子,其波长可以在微米大小。因此用声子晶体波段传播,具有很好的方向性,有可能实现对单个色心的单独调控。应力与金刚石色心的基态电子自旋耦合很微弱,所以有人发展出新的技术,让色心的激发态与应力声子耦合,其耦合强度能够提升好几个量级。我们也可以用纳米磁头产生很强的局域梯度磁场,引起金刚石色心与其机械运动的耦合,进而实现量子调控和量子信息处理

综合看起来,为了解决金刚石色心扩展的问题,我们似乎又引入了更多的问题。这正是学术发展的常态。问题总是层出不穷,总得不断的发展,在发展中来解决问题。

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2017开始了


18年前,1999年,我十七岁,参加高考,遇到了《假如记忆可以移植》这个作文题。当时的我,并没有给出很好的答案。这道题一直留在我心中,有意无意间,我用了十七年对物理学的求索来解这道题,终于在写了一篇量子隐形传输细菌内部状态(记忆)的论文,侧面回答了这道题。这对于我,是一种人生的圆满。

1999年,我十七岁,开始了自己独立的大学生活。离开家门前,与亲戚们一起吃饭,还记得曾经被告诫说不要参加学生运动,要老老实实读书。老一辈人被各种运动搞怕了,可以理解。现实是,这十几年,运动再也没有了,我老老实实地集中精力念书,学习和工作。

政治运动没有了,商业氛围却是越来越多。还记得,那年的跨年夜,我与大学同学们一起去西安城里,钟楼附近北大街上看烟花,参加庆祝活动。直到深夜,最后一班公交车都结束了。我们坐上政府临时征集的公交车,回到了交大北门,然后翻越大门回的学校。千禧年开始了,我也十八岁了。还记得当时各种世界末日的传言,电脑系统也有千年虫的警告。最终证明都是谣言。就这样,甩开了各种谣言和喧嚣,带着对新世界的好奇与野心我开始了自己的成年生活。从十七岁离开家乡,到现在,我在外地的时间已经超过了在家乡生活的时间。这十七年我学习,拿学位,工作,结婚生子,一切都是按部就班。可同时也在四处的漂泊,在很多城市生活过:西安,美国安娜堡,武汉,合肥,北京。我的经历已经远远超出了在家乡那些年。每隔一段时间回到家乡,发现家乡也在缓慢的变化,于是我再也回不去记忆中的家乡了。

十七岁离家,是我的”第二次出生”。从那时候起到现在,2017年,我又一次成年了。2017对于我的意义也就在于此。