PDF《类原子晶体缺陷：从量子计算到生物学探针》

Physics Today攫英 ・43卷(2014 年)

10 期图1 (a)金刚石中NV色心的结构示意图,下方插图是NV在 共聚焦平台上荧光图;

(b)NV 色心典型的能级结构图,包括 三重基态和相应的激发态 类原子晶体缺陷: 从量子计算到生物学探针 (中国科学技术大学 丁哲、 谢天宇、 杜江峰 编译自 Lilian Childress et al.

Physics Today, 2014, (10): 38) 基于量子力学原理的装置可以 快速解决某些经典计算模式难以解 决的问题,正是量子装置的这个优 越性催生了多个相关领域的快速发 展,如量子计算、量子通信、精密 测量和成像等.量子相干性是量子 优于经典的本质原因,而孤立原子 和固态体系是两种具有良好相干性 的理想体系.离子阱及冷原子等孤 立体系可以有效地隔绝外界噪声且 容易实现精确操控;

而诸如超导约 瑟夫森结和量子点等固态体系则能 够束缚有相互作用的电或自旋量子 比特,具有可扩展的优势.晶体中 某些杂质有电子束缚态,而晶格隔 绝了部分噪声,因此类原子的晶体缺 陷结合了上述两种体系的优势,这为 固态体系的量子计算提供了良好的 条件.我们还可以利用声子、光子 将多个比特耦合起来,而固体本身在 室温大气环境下可以保持稳定状态, 又可以方便地集成到其他器件中. 金刚石 NV 色心由氮杂质原子 与相邻的空位组成(以下如无特殊说 明,均指带负电的 NV- ).首先, NV 色心具有三能级的基态结构, 如图

1 所示;

其次,特殊的光学性 质使 NV 色心能用光学共聚焦方法 初始化和探测;

再者,室温下超纯 金刚石中的自旋比特与声子和其他 自旋热库的相互作用都很弱,NV 自旋可达毫秒量级的超长相干时 间,单量子比特操作次数可以达到 百万量级.这三个特性使 NV 色心 成为一个非常好的量子信息储存和 调控的室温固体单自旋基质材料, 同时在灵敏探测等领域具有广泛的 应用前景. 与电子自旋相比,核自旋的相 干时间更长.我们可以将核自旋作 为量子寄存器,通过其与 NV 的耦 合读出其状态.目前室温下13 C核自 旋相干时间达秒以上,低温下可达 分钟或更长.但要想在此体系的可 扩展性方面取得突破性进展,则需 将其与光子、声子等体系耦合. 要想实现大规模自旋的耦合, 光子或声子等媒介必不可少.以光 子为媒介实现无直接相互作用的 NV 自旋耦合的方案已被实验实现.而光学谐振腔 可以增强收集效率 和耦合强度,纳米 光学系统的出现, 进一步促进了NV― 光腔耦合的研究. 将机械振子的 振动模式――声子 与自旋耦合,是另 一种杂化体系扩展 的方式.金刚石本 身也可以作为机械 振子实现自旋―声子耦合.这两 种实现自旋―声子相互作用的机制 均需要高质量的机械振子和低温 环境. NV 色心的优越性质使得其作 为探针可对磁信号、电信号、温度 及压力等进行探测,且具有如下优 点:高磁场灵敏度 nT/Sqrt(Hz)、纳 米空间分辨率、温度适用范围广、 发光稳定、不易漂白等.尤其是室 温大气的工作条件使得其在生物等 多个领域已经取得一系列重要进 展.NV 满足生物研究要求的常温 及化学惰性.金刚石微晶中 NV 可 用于监测某一细胞局域温度的变 化.此技术甚至可能最终用于选择 性杀死癌细胞. NV 色心量子调控领域仍有大 量工作要做,如在纳米尺度上控制 NV 色心位置、实现自旋与其他体 系的强耦合等.NV 实现灵敏探测 方向,如磁共振成像则需要精确控 制靶分子与NV的相对位置. 除NV 色心之外,硅空位色心、硅中磷掺杂缺陷、碳化硅中很 多缺陷等也被广泛研究.类原子缺 陷可能成为优良的单光子源;

量子 中继器的研究则可促进远程量子通 信的发展. 在生命科学领域,类原子生物 探针将来有望用于单个复杂分子直 接成像.电磁场和温度探测可用于 温度诱导基因表达控制和肿瘤代谢 研究.最后,类原子系统可能会用 于非侵入性实时绘制大脑神经冲 动.所有这些让我们看到一个令人 兴奋的交叉科学研究前沿. ・ ・ 692