[发明专利]一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统

说明书

本发明涉及一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统，结合荧光成像与光探测磁共振技术，实现NV色心方向的快速、高效的确定。在实际操作中，按照本发明提出的流程，一次操作，可以将大量同方向的色心确认筛选出来，将大大提升利用NV色心阵列进行量子信息处理与量子传感应用的效率。本发明提出的方法也同样适用于金刚石内其它色心(如SiV、GeV色心等)和其它固态晶体内的自旋缺陷方向确认(如SiC晶体中的N_CV_S，VV色心等)，具有普适性。

技术领域

本发明属于量子信息与固体物理领域，涉及一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统。

背景技术

固态晶体中的点自旋缺陷是量子信息领域的重要实现载体，其中金刚石内的NV色心获得了最广泛的关注和研究。NV色心是金刚石内的点缺陷，它由晶格中一个碳空位(V)和一个最近邻的替位氮原子(N)构成。NV色心具有优异的光学与自旋特性，因而被广泛应用于量子信息处理与量子传感等领域。

如图1所示，由于金刚石的晶格结构特征，NV色心在金刚石内有四种不同的方向([111],)，并且随机的处于其中某一种方向上。在利用NV色心进行量子信息处理或量子传感测量时(如磁场测量)，需要首先确定色心的量子化轴，即NV色心的方向。传统上，NV色心方向的确定需要在外加静磁场下逐个做光探测磁共振谱测量(NewJournal of Physics 16,6(2014),063067)。在大规模量子信息处理与宽场量子传感等领域，需要大量逐个的确认其方向，这会浪费大量的时间与资源。如图2所示，每个色心随机的分布在不同方向上，要使用这些NV色心，需要逐个确定其方向。

发明内容

本发明的技术解决的问题是：提出一种金刚石内同方向NV色心的高效确认方法及系统，批量确认金刚石内同方向NV色心，大幅提升利用NV色心进行大规模量子信息处理与量子传感的效率。

本发明采用的技术方案为：

一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，步骤如下：

(1)对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内单色心位置分布；

(2)在图像P1中选取任意一个单色心，标记为A；

(3)对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置E_A1和E_A2；

(4)保持磁场B不变，对金刚石施加频率为E_A1或E_A2的连续微波，并再次测量步骤(1)中所述区域的荧光图像，得到图像P2；

(5)计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，得到图像P3；荧光点即为单色心。

(6)P3内的亮斑即为该区域与A色心同方向的色心；至此该区域内与A色心同方向的色心即被确认筛选出来；

(7)重复步骤2-6，获得另外几个方向的色心。

进一步的，步骤(5)所述计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，通过如下公式进行：

其中，I_P1是图像P1内色心的荧光强度，I_P2是图像P2内对应P1中同位置的色心的荧光强度。

进一步的，步骤(6)中所述亮斑是指归一化处理后呈现圆形或类圆形的光斑，不包括由于噪声导致的亮点。

进一步的，所述色心为金刚石内NV色心、SiV色心或者GeV色心。

进一步的，本发明还提出一种金刚石内同方向色心确认系统，包括：