中科大实现可用于全光温度传感的固态自旋量子相干操控

记者6月1日从中国科大获悉，该校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、王俊峰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反斯托克斯激发的固态自旋体系的相干操控，该技术在量子信息处理及量子精密测量中具有重要用途。该成果5月28日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

固态自旋色心是实现量子计算、量子网络和量子精密测量的重要物理体系。光探测磁共振(ODMR)技术是读取色心自旋信号的方法，也是实现各种量子技术的基础。传统的ODMR技术基于斯托克斯激发，即激发光的能量大于色心辐射光子的能量。研究团队首次在碳化硅的硅空位色心中实现了反斯托克斯激发下的ODMR探测，即激发光的能量小于色心辐射光子的能量。

通过研究反斯托克斯激发硅空位色心的荧光与激光功率以及样品温度的关系，研究团队证明反斯托克斯荧光来自于声子辅助的单光子吸收过程，可用于全光的温度传感。在此基础上，对比反斯托克斯和斯托克斯激发下ODMR谱和激光功率，微波功率以及样品温度的关系，发现两种激发手段具有相似的变化规律，但是反斯托克斯激发的ODMR谱的对比度大约是斯托克斯激发的3倍。研究团队进一步实现了反斯托克斯激发下的硅空位色心自旋的相干操控，实验结果显示其信号对比度大约是后者的3倍。该工作为反斯托克斯激发的ODMR技术应用于量子信息处理和量子精密测量奠定了重要基础。

审稿人高度评价本成果：“该结果为任何基于ODMR的测量带来明显的实际提高(The results offer an obvious practical improvement for any ODMR-based measurement)”;“作为一个新颖的原理，人们可以考虑应用于尚未预见到的场景，或者进一步发展它，我认为这个反斯托克斯的论证值得通过发表在《自然·通讯》上予以关注(as a novel principle that one can consider to apply in yet unforeseen situations, or to further develop, I think this anti-Stokes demonstration deserves attention via publication at the level of a journal such as Nature Communications)”。

该工作得到了科技部、基金委、中国科学院和安徽省的资助。

实验结果图。图a-d分别比较了反斯托克斯(1030 nm激发)和斯托克斯(720 nm激发)的激发过程、光谱、ODMR谱和自旋回波探测。