科技前沿|基于金刚石自旋的光学可寻址量子门

金刚石俗称钻石，是一种超宽禁带半导体材料，具有超强的抗辐照能力、超快的时间响应、极高的热导率、极高的击穿场强以及近人体组织等效性。金刚石制成的量子存储器可用于高能物理、量子转换、核能开发以及医学中。与传统存储器相比，金刚石量子存储器能将光子转换成金刚石中碳原子的特定振动，适用于许多不同颜色光的这种转换，将允许对光进行广谱操纵。金刚石的能量结构允许其以很低的噪声在室温下实现。研究人员利用强激光脉冲来存储和检索光子。通过控制这些激光脉冲的颜色，研究人员就能控制所要检索光子的颜色。利用天然金刚石制成的量子存储器由于价格昂贵、一致性差且不能进行材料的原位调控，影响了金刚石量子存储器的发展。然而，随着化学气相淀积（CVD）技术的发展，获得高质量、大尺寸、低成本的金刚石材料成为可能。

在固态晶体中，单独控制众多自旋的能力，是开发大规模量子处理器和存储器的一项很有前景技术。局域激光场通过自旋轨道耦合，为电子自旋操纵提供了空间选择性，但很难同时实现精确和通用调控。近日，有专家演示了在金刚石中，氮空位中心的光学选择电子自旋上，实验了微波驱动的完整量子门。电子自旋可精确地调控，全局微波可以调谐到由局部光学斯塔克效应引起的频移。此外，还展示了操作的通用性，包括状态初始化、准备、读出和回显echo。还在电子和相邻氮核自旋之间产生了光学可寻址的量子纠缠。高保真操作是通过施加幅度交替脉冲来实现的，该幅度交替脉冲能够容忍微波强度和失谐的波动。这些技术，实现了从光子到核自旋存储器的位置选择性量子隐形传态转移，并助力实现分布式量子计算机和具有大规模量子存储的量子互联网。

以下是金刚石自旋上的光学可寻址通用全息量子门实验的图文研究进展：

图1：光学可寻址通用完整门的原理

图2：取决于激光功率或氮空位nitrogen-vacancy，NV位置的门对比度实验演示

图3：光学可寻址通用单量子位操作的实验演示

图4：光学可寻址纠缠产生entanglement generation

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