碳量子

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。这是继金刚石氮空位（NV）色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心，该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。该成果于2021年7月5日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）杂志上。固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台，金刚石NV色心是其突出的代表。自从1997年德国研究团队报道了室温下单个金刚石NV色心的探测以来，金刚石NV色心在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。近年来，为了利用更加成熟的材料加工技术和器件集成工艺，人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一个硅原子）和双空位色心（缺失一个硅原子和一个近邻碳原子），因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。其中室温下单个硅空位色心的相干操控虽然已经实现，但其自旋读出对比度只有2%，而且天然块状碳化硅材料中单个硅空位色心的单光子发光亮度每秒仅有10 k个计数，如此低的自旋读出对比度和单光子发光亮度极大的限制了其在室温下的实际应用。而室温下单个双空位色心的相干操控还未见报道。李传锋、许金时研究组利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术[ACS Photonics 6, 1736-1743 (2019) PRL 124, 223601(2020)]制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控，并发现其中一类双空位色心（称为PL6）的自旋读出对比度为30%，而且单光子发光亮度每秒可达150k个计数。这两项重要指标相比碳化硅中硅空位色心均提升了一个数量级，第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石NV色心相媲美的优良性质，并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达23微秒。研究团队还实现了碳化硅色心中单个电子自旋与近邻核自旋的耦合与探测，为下一步构建基于碳化硅自旋色心体系的室温固态量子存储与可扩展的固态量子网络奠定基础。实验结果图：室温下单个PL6色心的光学与自旋性质。（A）单色心阵列荧光成像图，橙色圈内为单个PL6色心；（B）单光子发光特性；（C）荧光饱和行为；（D）光探测磁共振（ODMR）谱；（E）Rabi振荡；（F）自旋相干时间。由于高读出对比度和高单光子发光亮度在量子信息的许多应用中至关重要，该成果为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人高度评价该工作：“该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题，该发现将会立即促进许多工作的发展（The discovery reported in this paper addresses a key issue in the quantum technology applications of color centers in SiC. The discovery will stimulate many works immediately）”；“其中一些结果，例如对一些色心30%的读出对比度是相当了不起的（Some of these results such as the 30% readout contrast from some of the centers are quite remarkable）”。中科院量子信息重点实验室博士后李强、王俊峰副研究员为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。李强得到博士后创新人才支持计划的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122

量子力学是近代科学技术的支柱，可以追溯到1895年X射线的发现，之后普朗克于1900年提出量子论， 1905年，爱因斯坦提出光量子的概念。此后，量子力学迎来了蓬勃发展，广泛应用于诸如原子弹、晶体管、激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等领域的研究中，被称为“第一次量子革命”。近年来，“第二次量子革命”被提出，不同于“第一次量子革命”对量子现象的理解和直接利用，对微观量子世界进行被动观察和解释，“第二次量子革命”通过掌控量子效应、定制量子系统，扎根于纯粹量子效应的量子技术，以实现对量子状态进行人工制备和主动调控。量子科学很可能是21世纪促进人类文明进步的最重要基础科学。“第二次量子革命”的提出，引发了各国的关注，面临着激烈的国际竞争态势。2016年5月，欧盟发布《量子宣言》；同年12月，英国发布《量子时代》；2018年9月，美国公布《量子信息国家计划》；同年 11月，德国发布《量子技术-从科研到市场》。此外，中国、日本等均发布了国家支持计划，谷歌、华为、微软、IBM等也加入了量子产业竞争。2020年3月12日，在发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中更是将量子信息列到了科技前沿领域攻关的第二位，要求实现量子精密测量技术突破。而近日，德国提出了量子系统新的研究计划，德国联邦教研部随后将在该议程基础上推出2022年开始的量子系统研究计划。未来德国量子领域的研究重点主要是量子计算机、量子通信、量子测量技术、量子系统的基础技术。量子科学技术受到广泛关注主要是由于其可以突破信息和物质科学技术的经典极限。量子科学技术主要研究方向包括量子通信，量子计算和量子精密测量。量子精密测量的基本原理是利用磁、光与原子的相互作用，实现对各种物理量超高精度的测量，可大幅超越经典测量手段。目前量子精密测量已在生物与医疗、食品安全、化学与材料科学等领域显示出其独特的优势和广阔的应用前景。但我国量子精密测量在系统工程化和实用化仍有待探索，科研成果转化应用机制不成熟，产业合作和推动力量有限。为推动量子精密测量产业化进程，2021年4月23日，第十五届中国科学仪器发展年会（ACCSI2021）将召开量子精密测量产业化发展论坛，邀请领域内技术专家教授、研究院、技术公司、资本投资专家等，共同研讨如何推进并加快量子精密测量产业化。现诚邀各领域相关从业人员参加学习 ! （报名参会） ACCSI 2021“量子精密测量产业化发展论坛”邀请报告及报告嘉宾一、论坛时间：2021年4月23日 9:00-12:00　　二、论坛地点：无锡融创万达文华酒店　　三、参会嘉宾：领域内技术专家教授、研究院、技术公司、资本投资专家；相关仪器企业及上下游企业董事长、总经理、总工、市场总监、研发总监、销售总监等。　　四、会议形式：现场会议 / 线上会议内容嘉宾国仪量子：引领量子精密测量技术产业化国仪量子 联合创始人、CEO贺羽皮秒高重频相干脉冲产生及量子光学应用复旦大学 教授吴赛骏量子测控系列新品在量子精密测量领域的应用国仪量子 测控事业部总经理吴亚量子精密测量在地球物理探测中的应用国仪石油技术（无锡）有限公司 系统工程师孙哲新型电子信息功能材料的原子构筑和性能调控中国科学技术大学 教授廖昭亮基于量子精密测量的科学仪器——从系综到单自旋国仪量子 高级应用工程师代映秋2021第十五届中国科学仪器发展年会(ACCSI2021)将于2021年4月21-23日在无锡市召开。ACCSI定位为科学仪器行业高级别产业峰会，经过14年的发展，单届参会人数已突破1000人，被业界誉为科学仪器行业的“达沃斯论坛”。ACCSI2021以“创新发展，产业共进”为主题，力求对过去一年中国科学仪器产业最新进展进行较为全面的总结，力争把最新的产业发展政策、最前沿的行业市场信息、最新的技术发展趋势、最新的科学仪器研发成果等在最短的时间内呈现给各位参会代表。会议期间将颁发 “年度优秀新品”、 “年度绿色仪器”、“年度行业领军企业”、“年度十大第三方检测机构”、“年度售后服务厂商”、“年度网络营销奖”“年度人物”等多项行业大奖，引领科学仪器产业方向。参会咨询报告及参会报名：010-51654077-8124 13671073756 杜老师 15611023645李老师 赞助及媒体合作：010-51654077-8015 13552834693魏老师微信添加accsi1或发邮件至accsi@instrument.com.cn （注明单位、姓名、手机）咨询报名。报名链接：https://insevent.instrument.com.cn/t/qK 报名二维码扫描二维码查看最新会议日程

古地磁学图片来源：摄图网古地磁学是一门介于地质学、物理学、地球物理学之间的交叉学科。古地磁学一般通过测定岩石或古文物的天然剩余磁化强度，研究地质时期地球磁场方向、强度、行星发动及其演化规律。岩石是天然矿物的结合体，其剩余磁性一般来自于岩石中的铁磁矿物，包含原生剩磁和次生剩磁。所谓原生剩磁指的是岩石形成时记录的地磁场信息。与之相对的，在岩石形成后得到的剩余磁性叫做次生剩磁，如岩石在外磁场的作用下（如自然雷电击中、流水风沙侵蚀）获得的剩磁。由于古地磁学研究的是岩石形成时地磁场的特征，故必须以准确地测量原生剩磁为先决条件。目前，岩石磁性是通过测量毫米到厘米大小的大块样品的净磁矩来分析的。目前常见的科学分析仪器有超导岩石仪、振动样品磁力仪等。然而，在亚微米尺度上，地质样品通常在矿物学和质地上都是不均匀的，只有小部分铁磁颗粒携带的剩余磁化。因此，在这种情况下表征岩石磁性需要一种能够在纳米空间尺度上成像磁场并具有高灵敏度的技术。例如，正广泛应用的扫描超导显微镜（SQUID）、磁阻显微镜、霍尔显微镜等。量子精密测量技术在古地磁研究中的应用（a）哈佛大学量子钻石显微镜（b）测量地质样品中的剩余磁化。（Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(8):3254-3267）2011年，科研工作者们证实了金刚石中的氮-空位色心（简称NV色心）可以用于亚微米尺度上的磁成像。2017年，哈佛大学R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子钻石显微镜，实现了岩石磁场的成像，其指标空间分辨率为5 um、视场范围为4 mm。通过减少金刚石与样品之间的距离（≤10 um）,实现磁矩灵敏度10-16 Am2，这一指标可媲美乃至超越SQUID、磁阻显微镜、霍尔显微镜等主流设备。此外，量子钻石显微镜还具有光学成像功能和成像速度快的优势。 可见，在地质、磁陨石的探测分析中，量子钻石显微镜展现出了巨大的应用潜力，为弱磁成像开辟了新的道路。随着人类对月球、火星等深空领域的不断探索，量子钻石显微镜也将应用于月岩、火星岩石的表征分析中。（a）量子钻石显微镜结构示意图（b）金刚石放置于样品上（Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(8):3254-3267.）量子钻石显微镜的大致构造如上图（a）所示。整个探头部分置于三维的亥姆霍兹线圈中，其作用是施加外磁场使得金刚石内NV色心能级退简并。实验过程中金刚石紧贴于岩石样品表面，如上图（b）所示。下面简述量子钻石显微镜的工作原理。首先利用激光聚焦实现金刚石内NV色心量子态的初始化。然后扫描输入微波的频率，并通过辐射天线作用到NV色心上。当微波频率与NV色心能级共振时，NV色心的ms=±1态与ms=0态布居数反转，荧光强度下降。在成像区域内随微波频率变化的荧光信号经物镜收集后由收集光路成像到sCMOS相机上。在实验中通过sCMOS相机设定成像区域为M×N个像素点，每次进行图片采集相当于M×N个像素点同时进行荧光信号探测。在所有频点数据采集完成后，即得到完整的光探测磁共振谱（简称ODMR谱），通过相应的数据运算把每个像素点的磁场强度解算出来。最后把每个像素点的位置与磁场强度对应起来，用颜色区分各个像素点的磁场强度，实现二维磁场成像。国仪量子——量子钻石显微镜国仪量子推出的量子钻石显微镜2022年，国仪量子自主研制的“量子钻石显微镜”面向全球发布，这是一款基于金刚石NV色心技术的、先进的商用量子精密测量仪器，具有高空间分辨率、大视野、成像速度快等优势，有望在古地磁领域产生新的科学增长点。同时，在半导体、材料科学、细胞磁学、体外诊断等多个领域也具有广阔的应用前景。