近日，理学院量子光学团队在基于金刚石NV center单自旋体系与纳米机械振子耦合机制及相干操控研究方面取得重要突破。该团队李蓬勃副教授在日本理化研究所访问期间与日本理化所Franco Nori教授、 奥地利维也纳技术大学Peter Rabl教授、项泽亮博士等人合作，从理论上提出了一种基于单个NV center和载流碳纳米管机械振子强耦合的混合型量子器件。这项研究成果以“Hybrid Quantum Device with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond Coupled to Carbon Nanotubes”为题近日发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》 （Phys. Rev. Lett. 117, 015502 (2016)）上，并被选为“编辑推荐 (Editors’ Suggestion)”文章。

单NV center和载流碳纳米管机械振子构成的混合量子器件示意图

在基于固态量子体系的量子信息处理方面，一个非常重要的问题是如何实现单电子自旋比特的相干操控和相互耦合。一种可行的方案是利用机械振子的振动模式耦合单个NV 自旋。当前普遍采用的耦合方式是利用纳米悬臂上固定一个磁针来耦合NV center。但是这种方案需要制备微纳米尺度的强磁极，这在实验上是一个技术挑战。尤其是对于多个自旋比特同时和一个机械振子耦合，这种耦合方式就更加难以实现。李蓬勃副教授与合作者创新性的提出了利用通电的碳纳米管机械振子和单个NV自旋耦合，这在原理上类似于一个量子版本的奥斯特实验——通电导线对周围的磁针产生力的作用。这种耦合的显著特点是具有内禀属性且可灵活调控。和传统方法相比，这种磁机械耦合强度可以提高大约3个数量级。PRL审稿人对于此工作给予了很高评价“I find this theoretical proposal to be of great interest. This might stimulate novel experiments and experimental breakthroughs in this area”。据了解，编辑推荐文章是PRL在当期发表的论文中挑选少数（大约1/6）非常重要、能引起广泛兴趣的论文作为重点推荐的论文，而理论工作被选为编辑推荐文章更是非常少见。

这项研究工作得到国家自然科学基金、日本理化研究所iTHES项目、日本科学技术振兴机构 (JST) IMPACT项目、奥地利自然科学基金 (FWF)、欧盟委员会Marie Sklodowska-Curie基金等项目的支持。

据悉，近年来理学院量子光学团队在基于金刚石NV center等固态量子体系的量子操控及信息处理研究方面取得了一系列重要研究成果。该团队李蓬勃副教授作为第一作者曾分别在《物理评论：应用》(Phys. Rev. Applied)、《物理评论 A》(Phys. Rev. A)、《科学报告》(Scientific Reports)等一流物理期刊上发表研究论文30余篇，相关工作引起了国内外相关学者的广泛关注。

论文链接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.015502