金剛石內氮空位中心結構自1997年被發現可以開展量子信息研究以來，由于其在室溫下具有很長的電子自旋退相干時間，純凈的自旋環境和與周圍核自旋豐富的超精細相互作用，人們開展了多方面的研究，包括實現了單量子比特和多量子比特調控，量子寄存器，雙量子比特邏輯門操作，三量子比特糾纏態的制備和近期開展的動力學解耦來延長退相干時間的研究，展示了該體系在固態量子信息和計算中的廣闊前景。

 

       在過去幾年里，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）固態量子信息與計算實驗室的潘新宇副研究員自主設計搭建了兩套激光掃描共聚焦熒光顯微系統，配合自主研發的微波近場天線，開展了一系列的基于金剛石氮空位中心的量子信息研究。

 

       最近，潘新宇副研究員與范桁研究員合作，首次在固態體系里室溫下實現了最優化相位量子克隆機。在金剛石氮空位中心由于Zeeman效應形成的兩個二能級系統中，實現了三個量子態的編碼，初態的準備和量子克隆機的實現通過激光的泵浦和微波的兩個獨立輻射場相結合的方法實現。實驗結果的克隆機平均保真度達到85.2%，和理論計算預言的最大的保真度85.4%很接近。該項研究結果發表在Applied Physics Letters上【99, 051113 (2011)】。

 

       另外，潘新宇副研究員和香港中文大學的劉仁保教授合作，研究了室溫下金剛石氮空位中心的電子自旋的噪聲漲落效應。局域場的波動會導致量子體系的退相干，通常人們認為在室溫情況下，熱噪聲會比量子噪聲強很多倍，除非有人為的方法來抑制熱噪聲比如自旋回波。該小組在室溫下實驗上成功地觀測到金剛石的氮空位中心的電子自旋對周圍核自旋的環境所感受到的強的量子噪聲漲落效應。經研究發現，量子漲落和熱噪聲之間的競爭關系可以用外加的磁場來調節，隨著外磁場的增大，觀測到了從熱噪聲到量子噪聲及再回歸到熱噪聲的漸變的過程。該實驗是基于Ramsey干涉測量技術來實現的，實驗結果和數值模擬符合得很好。該項研究結果發表在Scientific Reports上【2, 432 (2012)】。

 

       以上工作得到科技部“973”項目和國家自然科學基金，香港研究資助局及香港中文大學的資助。

       圖1 量子克隆實驗的測量結果。黑色點為實驗測量得到的Rabi振蕩曲線，紅線為擬合曲線，a圖為測得的克隆操作后ms=0態的電子布居數，理論預測值為33%，b圖為測得的布居48%，理論預測值為50%。

       圖2 金剛石氮空位中心的電子自旋的Ramsey信號，在不同的外加磁場下，退相干時間和擬合曲線的n都隨磁場變化，從而表現出不同的噪聲漲落效應。

圖3 三個不同的氮空位中心的退相干時間和n與外加磁場的關系。