中国科学技术大学陈向东团队Nano Lett. | 金属纳米线用于固态自旋的光电集成操控

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

通讯作者：陈向东，中国科学技术大学

作者： Meng-Qi Ma(马梦岐), Yun-Kun Wu(吴赟琨), Zhi-Wei Liu(刘志威), Han-Xiang Zang(臧翰翔), Long-Kun Shan(单隆坤), Wang Jiang(江旺), Yong Liu(刘勇), Xi-Feng Ren(任希锋), Xiang-Dong Chen(陈向东), Guang-Can Guo(郭光灿), Fang-Wen Sun(孙方稳)

背景介绍

对量子比特的有效操控是量子信息科学研究的最基本和最重要工具。量子比特的初始化、门控和探测过程通常需要从可见光到微波波段的不同电磁场。面对现实应用场景中紧凑性、低功耗、高可靠性等需求，将多种驱动信号在同一系统中集成是量子器件开发的必然选择。研究人员制备了片上光波导和电子线路分别用于传输光和微波信号。然而，不同驱动场在空间上的错位分布限制了器件的进一步小型化，以及对量子比特操控的空间分辨率和效率，还可能引入额外的噪声。因此，一种能够同时传输多种驱动场的结构是发展集成量子器件所迫切需要的。

图1.光纤锥-银纳米线-电极复合结构示意图。金属银纳米线同时传输微波与光信号，泵浦金刚石中荧光缺陷的电子自旋态。

文章亮点

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队孙方稳教授研究组在Nano Letters上发表了基于一维金属纳米线复合结构的固态自旋量子比特光电集成操控的工作。利用表面等离激元传光以及金属的导电特性，设计并优化光纤锥-银纳米线-电极的复合结构，实现在银纳米线上同时传输光信号和微波信号。

研究团队将该复合结构用于单晶金刚石中氮-空位色心电子自旋的光学极化和微波操控。氮-空位色心的荧光辐射和自旋共振信号测量结果表明驱动光场和微波场均局域在银纳米线附近。不同驱动场在空间上的高度重合，大大提高对自旋比特操控的效率。光信号与电信号的传输没有明显的串扰，保证了该方法的可靠性。驱动场在微纳空间内的局域分布则有利于高空间分辨的量子比特寻址。研究团队进一步测量了氮-空位色心系综的电子自旋共振谱，演示了该集成器件对空间中磁场的测量。

图2. 银纳米线传输的光场与微波场共同作用下的氮-空位色心电子自旋共振信号。移动银纳米线对不同位置的自旋进行操控和探测。右上的插图为荧光信号分布情况。

总结/展望

研究团队通过设计光纤-纳米线-电极结构，得以同时利用一维纳米线导光和导电特性，为实现高空间选择性和高效率的量子比特集成操控提供一种新方法。本文的研究结果有助于集成量子计算和量子传感器件的开发。

相关论文发表在Nano Letters上，中国科学技术大学博士研究生马梦岐为文章的第一作者， 陈向东副研究员为通讯作者。

通讯作者信息：

陈向东中国科学技术大学

陈向东，中国科学技术大学，中国科学院量子信息重点实验室，副研究员。主要从事固态自旋体系微纳量子传感方面的研究。发展基于固态自旋的极弱电磁信号测量方法，利用纳米空间分辨率量子传感探索围观尺度下材料相变等物理现象与机制。研究成果在Nature Communications, Science Advances, Phys. Rev. Lett., Light: Science & Applications等期刊发表论文40余篇。获授权多项专利。

研究组主页：

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

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中国科学技术大学陈向东团队Nano Lett. | 金属纳米线用于固态自旋的光电集成操控

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