金刚石NV色心实验平台微波系统的搭建及实验研究

论文摘要

现如今,量子信息是横跨了物理学与信息科学的前沿研究领域,具有很多分支研究方向。在国内,与量子信息相关的研究组在这一领域上的不同方向上都开展了很多研究工作。本文主要介绍了其中一个研究方向:基于固态自旋的量子调控。我们的主要研究对象是存在于金刚石内的NV色心,其主要是由金刚石晶格缺陷形成的空位与氮原子杂质所组成。在基于NV色心的量子信息实验台上,我们的目的是能够实现对NV色心量子态的操控。为了达到这一目的,由于金刚石内部NV色心的量子态不确定,我们首先要对其持续施加532nm激光来初始化量子态,使其量子态尽可能地以很高的保真度保持在ms=0态上;随后对其施加连续激光和高强度磁场,并进行微波频率扫频,通过收集NV色心发出的荧光,记录其荧光强度,得到NV色心的ODMR光谱。NV具有四个轴,我们选用主轴,由于塞曼效应（原子光谱在外加磁场时会发生分裂）的影响,主轴在ODMR光谱2870MHz频点附近会出现两个荧光强度波谷,分别对应着NV的两个量子态,即ms=±1。我们根据两个态对应的ODMR光谱上的频率点,来选择性地施加特定频率微波射频信号,以此来把NV的ms=0态耦合到ms=1或ms=-1态上,实现对NV量子态的操控。本文的主要工作内容就是搭建能够为金刚石NV色心量子调控实验提供频率可调、相位任意可调的微波信号以及微波交变磁场的微波系统。为了实现这一目标,本文首先基于单边带信号调制原理,利用一系列微波器件搭建出了微波系统中的微波桥,经调试后,实现了微波信号的单边带调制、频率可调以及相位任意可调;其次,我们利用具有损耗低、无截止频率等特点的槽线传输线,结合其具有良好辐射特性的衍变结构Ω型开路槽线,设计了一种适用于金刚石NV色心实验的专用辐射结构,该辐射结构能够将经过微波桥调制和功率放大器放大后的微波信号转化为微波交变磁场,进而作用于NV色心,并利用磁控溅射、激光刻蚀以及电化学镀铜等工艺方法实现了辐射结构的低成本制作,该辐射结构经过矢量网络分析仪等仪器测试后,被应用到了金刚石NV色心量子实验平台中,取得了较好的实验效果;最后,基于以上工作的技术支持,本文完成了基于Wigner函数的金刚石NV色心单个电子自旋量子态的实验重构。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 金刚石氮-空位色心
•   1.2 基于金刚石NV色心的光探测磁共振系统
•   1.3 实验系统介绍
•     1.3.1 光学系统
•     1.3.2 微波系统
•     1.3.3 同步控制系统
•   1.4 金刚石NV色心实验系统中的微波系统
•   1.5 论文主要内容及结构
• 第二章 微波系统中微波桥的设计与实现
•   2.1 信号调制原理
•   2.2 微波在量子调控实验中的作用
•   2.3 单边带信号调制
•   2.4 微波桥的搭建与测试
•   2.5 本章小结
• 第三章 微波系统中Ω型微波辐射结构的设计与实现
•   3.1 传输线理论
•     3.1.1 传输线电路模型
•     3.1.2 传输线特征阻抗
•   3.2 槽线理论及主要性能影响因素
•     3.2.1 基底材质及厚度
•     3.2.2 沟槽宽度
•     3.2.3 金属层厚度
•     3.2.4 工作频率
•   3.3 Ω型微波辐射结构设计
•     3.3.1 常规开路槽线
•     3.3.2 Ω型开路槽线
•     3.3.3 参数优化
•   3.4 Ω型微波辐射结构的实现
•     3.4.1 微纳工艺探索
•     3.4.2 磁控溅射工艺
•     3.4.3 选择性刻蚀工艺
•     3.4.4 电化学镀铜工艺
•   3.5 Ω型微波辐射结构测试
•     3.5.1 特征阻抗
•     3.5.2 带宽
•     3.5.3 自旋操控性能
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于微波系统的金刚石NV色心量子态重构实现
•   4.1 Wigner函数介绍
•   4.2 金刚石NV色心电子自旋的Wigner函数表征
•   4.3 NV色心电子自旋态Wigner函数重构实现
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 部分仪器设备及实物图
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周飞飞

导师: 徐南阳

关键词: 量子信息,色心,信号调制,槽线,辐射结构,电化学镀铜,函数

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 合肥工业大学

分类号: O413;O773

总页数: 81

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