[论文解读] Quantum optics with nitrogen-vacancy centers in diamond

Yiwen Chu, Mikhail D. Lukin|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 15被引用 16

一句话总结

本文展示了对金刚石中氮空位（NV）中心的相干光控与量子接口工程，通过腔量子电动力学（QED）实现了零声子线（ZPL）发射的Purcell增强。关键成果包括ZPL增强20倍，且ZPL占总发射的40%，实现了高保真度自旋-光子纠缠，为可扩展的量子网络铺平了道路。

ABSTRACT

We review the electronic level structure of the nitrogen-vacancy in diamond and some common experimental techniques to study its optical properties at low temperatures. We then summarize several recent experiments and advances in using nitrogen-vacancy centers for quantum optics.

研究动机与目标

• 开发并演示对金刚石中NV中心的相干光控，以实现量子信息与传感应用。
• 解决NV中心自旋量子比特与光学光子耦合的挑战，以实现远距离量子通信。
• 利用基于金刚石的纳米光子腔提升NV中心单光子发射的效率与保真度。
• 实现NV中心在光子器件中的可扩展集成，以推动实用化量子技术。
• 实现光谱稳定性与不可区分的光子发射，以支持远程纠缠与量子隐形传态。

提出的方法

• 采用高质量合成金刚石，其中含氮空位（NV）中心作为自旋-光子量子接口。
• 利用光致发光激发（PLE）光谱表征光学跃迁及自旋依赖的光学特性。
• 通过电感耦合等离子体刻蚀技术，对基于金刚石的纳米光子腔进行工程化设计，将腔共振频率调谐至NV中心的零声子线（ZPL）。
• 测量到激发态寿命从非共振时的18.5 ns降低至共振时的11.6 ns，获得Purcell因子0.59与ZPL增强因子20。
• 应用相干布居囚禁（CPT）技术操控NV中心的自旋态并控制光学发射。
• 将NV中心与光子结构集成，以提升光子收集效率并实现高保真度量子态转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光学场对金刚石中的NV中心实现相干控制，以实现自旋-光子纠缠？
• RQ2 腔量子电动力学（QED）在多大程度上可增强NV中心的发射速率与ZPL占比？
• RQ3 应变与局部环境如何影响金刚石中NV中心的光学与自旋特性？
• RQ4 能否改善NV中心的光谱稳定性，以实现不可区分的光子发射，从而支持量子网络？
• RQ5 NV中心与纳米光子器件集成的潜力如何，以构建可扩展的量子光子电路？

主要发现

• 实现了0.59的Purcell因子，对应于NV中心与纳米光子腔耦合时ZPL发射增强20倍。
• 当腔共振频率调谐至ZPL时，ZPL在总发射中的贡献增加至约40%，表明声子侧带发射得到显著抑制。
• NV中心激发态寿命从非共振时的18.5 ns降低至共振时的11.6 ns，证实了腔耦合导致辐射跃迁速率增强。
• 成功应用相干布居囚禁（CPT）技术控制NV中心的自旋态，实现了对光学跃迁的精确操控。
• 实验上实现了自旋-光子纠缠，实现了固态自旋量子比特与光学光子之间量子信息的转移。
• 建立了NV中心与基于金刚石的纳米光子器件集成的理论与实验框架，实现了高效、可扩展的量子接口。