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中國科學技術大學陳向東團隊Nano Lett. | 金屬納米線用于固態自旋的光電集成操控

英文原題:Integrated manipulation and addressing of spin defect in diamond

中國科學技術大學陳向東團隊Nano Lett. | 金屬納米線用于固態自旋的光電集成操控
通訊作者:陳向東,中國科學技術大學

作者:?Meng-Qi Ma(馬夢岐), Yun-Kun Wu(吳赟琨), Zhi-Wei Liu(劉志威), Han-Xiang Zang(臧翰翔), Long-Kun Shan(單隆坤), Wang Jiang(江旺), Yong Liu(劉勇), Xi-Feng Ren(任希鋒), Xiang-Dong Chen(陳向東), Guang-Can Guo(郭光燦), Fang-Wen Sun(孫方穩)

背景介紹

對量子比特的有效操控是量子信息科學研究的最基本和最重要工具。量子比特的初始化、門控和探測過程通常需要從可見光到微波波段的不同電磁場。面對現實應用場景中緊湊性、低功耗、高可靠性等需求,將多種驅動信號在同一系統中集成是量子器件開發的必然選擇。研究人員制備了片上光波導和電子線路分別用于傳輸光和微波信號。然而,不同驅動場在空間上的錯位分布限制了器件的進一步小型化,以及對量子比特操控的空間分辨率和效率,還可能引入額外的噪聲。因此,一種能夠同時傳輸多種驅動場的結構是發展集成量子器件所迫切需要的。

中國科學技術大學陳向東團隊Nano Lett. | 金屬納米線用于固態自旋的光電集成操控
圖1.光纖錐-銀納米線-電極復合結構示意圖。金屬銀納米線同時傳輸微波與光信號,泵浦金剛石中熒光缺陷的電子自旋態。

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文章亮點

近日,中國科學技術大學郭光燦院士團隊孫方穩教授研究組Nano Letters上發表了基于一維金屬納米線復合結構的固態自旋量子比特光電集成操控的工作。利用表面等離激元傳光以及金屬的導電特性,設計并優化光纖錐-銀納米線-電極的復合結構,實現在銀納米線上同時傳輸光信號和微波信號。

研究團隊將該復合結構用于單晶金剛石中氮-空位色心電子自旋的光學極化和微波操控。氮-空位色心的熒光輻射和自旋共振信號測量結果表明驅動光場和微波場均局域在銀納米線附近。不同驅動場在空間上的高度重合,大大提高對自旋比特操控的效率。光信號與電信號的傳輸沒有明顯的串擾,保證了該方法的可靠性。驅動場在微納空間內的局域分布則有利于高空間分辨的量子比特尋址。研究團隊進一步測量了氮-空位色心系綜的電子自旋共振譜,演示了該集成器件對空間中磁場的測量。

中國科學技術大學陳向東團隊Nano Lett. | 金屬納米線用于固態自旋的光電集成操控
圖2. 銀納米線傳輸的光場與微波場共同作用下的氮-空位色心電子自旋共振信號。移動銀納米線對不同位置的自旋進行操控和探測。右上的插圖為熒光信號分布情況。

總結/展望

研究團隊通過設計光纖-納米線-電極結構,得以同時利用一維納米線導光和導電特性,為實現高空間選擇性和高效率的量子比特集成操控提供一種新方法。本文的研究結果有助于集成量子計算和量子傳感器件的開發。

相關論文發表在Nano Letters上,中國科學技術大學博士研究生馬夢岐為文章的第一作者, 陳向東副研究員為通訊作者。

通訊作者信息:

中國科學技術大學陳向東團隊Nano Lett. | 金屬納米線用于固態自旋的光電集成操控
陳向東 中國科學技術大學

陳向東,中國科學技術大學,中國科學院量子信息重點實驗室,副研究員。主要從事固態自旋體系微納量子傳感方面的研究。發展基于固態自旋的極弱電磁信號測量方法,利用納米空間分辨率量子傳感探索圍觀尺度下材料相變等物理現象與機制。研究成果在Nature Communications, Science Advances, Phys. Rev. Lett., Light: Science & Applications等期刊發表論文40余篇。獲授權多項專利。

研究組主頁:

https://team.ustc.edu.cn/sunteam/zh_CN/index/730336/list/index.htm

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