固体核自旋纳米系综的相干控制

量子模拟器的概念起源于费曼，他的想法是使用一个控制良好的量子系统来模拟不同类型的哈密顿量。虽然量子模拟器概念的第一次演示已经在超冷量子气体和离子阱中实现，但固态的实现仍然有限，尽管已经有一些有希望的相互作用的实现，包括使用宏观核自旋综（由于使用伪纯态而无法扩展），硅光子学和使用超导量子比特这种类型的量子器件的固态架构实现是重要的，因为它表明了良好的可扩展性前景，由于发达的半导体和纳米制造技术。

最近的一项理论建议和分析表明，基于金刚石量子技术的二维自旋系统的量子模拟器是可行的实现这一目标的两个主要挑战是制备耦合核自旋的纳米系综及其极化（初始化）、相干控制和读出。在过去的几十年里，随着可以探测到的核自旋的最小数量不断减少，朝着后一个目标已经采取了重要的步骤。最后，利用光学和电学检测证明了对单个核自旋与单个电子自旋强耦合的相干控制随后，首先在金刚石表面探测到104个核自旋，最后实现了单自旋灵敏度。

Thomas Unden等人¹解决了上述制造核自旋单原子层及其控制的挑战。首先，我们提出了一种制造核自旋簇的方法。其次，展示了一种初始化、读出和控制几十个核自旋的方法。通过化学气相沉积（CVD）在两个衬底上制备了一个纳米厚的¹³C碳原子（核自旋I = 1/2）的金刚石层，称为样品a和B，见图1。

生长条件和程序已在以前报道过首先，通过CVD在超纯金刚石衬底（E6 Ltd，电子级）上生长¹²C富集（99.99%）的金刚石层。在其上生长¹³C（使用>98.4%的¹³CH₄）富层。在样品A（图1a）中，为了降低磁噪声，层被10 nm厚的¹²C富集（无核自旋）金刚石层与衬底和表面分开。

在¹³C层生长过程中，通过δ掺杂的方式掺杂氮，在¹³C层附近形成单个氮空位中心（NV）。在样品B（图1b）中，帽层和缓冲层（靠近衬底）的厚度分别为5nm和20nm。该样品注入氮离子（¹⁵N⁺），在¹³C富集区附近形成NV中心。在−5、2.5和1 keV三种注入能量下，氮离子的平均深度分别为7、3.5和1.4 nm。

图1 试样a和试样b的截面示意图。

最后，帽层用于保护NV中心的自旋特性不受表面噪声的影响，表面噪声会引起先前报道的退相干在两个样品中，单个NVs与几十个核自旋耦合，从而实现了这些小集合的极化和磁化。对核自旋的相干控制（在样品A中演示）通过射频（RF）脉冲实现，允许执行核磁共振波谱以及实现量子门。

与我们以前的工作相比，有两个主要的不同之处首先，在这里证明了对¹³C核自旋的相干控制。其次，在之前的报告中研究了一种天然富含¹³C和天然存在的NV中心的钻石样品，其中没有应用特殊的制造工艺。在这里，我们进行了一个可控的¹³C层的制造，其中故意掺杂氮原子。

共聚焦显微镜荧光成像显示，在两个样品的¹³C富集层中存在单个NVs。光学检测到的483个NV中心（样品A）和584个NV中心（样品B）的磁共振测量显示NV与¹³C核自旋的强耦合。根据空位旁¹³C核自旋的数目，光谱可分为四组，如图2所示。

图2 在无a、1族、1族、2族、2族、3族和3族d、4族¹³C碳原子的生长过度金刚石层中，在零磁场下测量单个NV中心的ODMR光谱。

总之，已经证明了一种纳米薄的富含¹³C的金刚石层的制造，其中小的核自旋综耦合到单个NV中心。提出了一种结合射频脉冲和基于PROC的17脉冲序列的相干控制方法。Rabi测量和核磁共振谱分析表明，核磁共振谱线宽度在很大程度上取决于NV中心在自由演化时间内的状态。

1.Unden, T.;  Tomek, N.;  Weggler, T.;  Frank, F.;  London, P.;  Zopes, J.;  Degen, C.;  Raatz, N.;  Meijer, J.;  Watanabe, H.;  Itoh, K. M.;  Plenio, M. B.;  Naydenov, B.; Jelezko, F., Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles. npj Quantum Inf. 2018, 4 （1）, 39.

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