Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Acta Physica Sinica

Coherent electrical control of a single electron spin in diamond nitrogen-vacancy centers

Wu Jian-Dong, Cheng Zhi, Xiangyu Ye, Zhaokai Li, Pengfei Wang, Tian Chang-Lin, Cheng Hong-Wei

Published Jan 1, 2022• 0 citations
Publisher

Abstract

金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在$|m_s=-1\rangle$与$|m_s=+1\rangle$两个$\Delta m_s =\pm2$的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。

DOI
10.7498/aps.71.20220410

Related papers

Universal enhancement of the optical readout fidelity of single electron spins at nitrogen-vacancy centers in diamond

Matthias Steiner, Philipp Neumann, Johannes Beck +2 more

Precise readout of spin states is crucial for any approach toward physical realization of a spin-based quantum computer and for magnetometry with single spins. Here, we report a method to strongly improve the optical readout fidelity of electron spin states associated with single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. The signal-to-noise ratio is enhanced significantly by performing conditional flip-flop processes between the electron spin and the nuclear spin of the NV center's nitrogen atom. The enhanced readout procedure is triggered by a short preparatory pulse sequence. As the nitrogen nuclear spin is intrinsically present in the system, this method is universally applicable to any nitrogen-vacancy center. Besides the readout method, our studies included coherent control over a single nitrogen nuclear spin for the first time.

arXiv:0909.2783•Physical Review B•Jan 19, 2010•204 citations

High-Fidelity Electron Spin Gates for Scaling Diamond Quantum Registers

Timo Joas, Florian Ferlemann, Roberto Sailer +9 more

ダイヤモンドは量子情報処理のための有望なプラットフォームで、高度にコヒーレントな量子ビットを持つことができ、大規模な量子レジスターの構築を可能にします。そのためには、窒素空孔（NV）の電子スピン間でのコヒーレントな相互作用が必要で、スケーラブルなエンタングルメントを可能にします。これまで、双極子結合されたNVスピンペア間のエンタングルメントが示されていましたが、忠実度が限られており、エラーの原因は特定されていませんでした。本研究では、ダイヤモンド中のNV電子スピン間でロバストな2量子ビットゲートを設計・実装し、ゲート性能に影響を与える複数のエラー源を定量化しました。実験的に、環境条件下で96.0 ± 2.5%の記録的なゲート忠実度を証明しました。支配的なエラーの特定により、エラー修正しきい値を超えるNV-NVゲートへの道を開きます。

•Dec 18, 2025•0 citations

Controllable millimeter-wave stimulated radiations from nitrogen-vacancy-centers in diamond

Chen WANG, Suirong HE, Yufen LI +2 more

高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一, 而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射, 已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战. 针对这一难题, 本文提出一种基于强磁场调控氮空位(NV)色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案. 具体而言, 选取轴向强人造磁场(约2 T)作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力, 使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转. 借助高品质因子(Q \approx 5\times 10^4)谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型, 本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s–1; 在理想条件下, 可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射, 从而有望在室温条件下, 为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源.

Acta Physica Sinica•Jan 1, 2026•0 citations

Control of coherence among the spins of a single electron and the three nearest neighbor 13C nuclei of a nitrogen-vacancy center in diamond

Takaaki Shimo-Oka, Hiromitsu Kato, Satoshi Yamasaki +4 more

Individual nuclear spins in diamond can be optically detected through hyperfine couplings with the electron spin of a single nitrogen-vacancy (NV) center; such nuclear spins have outstandingly long coherence times. Among the hyperfine couplings in the NV center, the nearest neighbor 13C nuclear spins have the largest coupling strength. Nearest neighbor 13C nuclear spins have the potential to perform fastest gate operations, providing highest fidelity in quantum computing. Herein, we report on the control of coherences in the NV center where all three nearest neighbor carbons are of the 13C isotope. Coherence among the three and four qubits are generated and analyzed at room temperature.

Applied Physics Letters•Apr 13, 2015•11 citations

Optical determination and magnetic manipulation of a single nitrogen-vacancy color center in diamond nanocrystal

Ngoc Diep Lai, Dingwei Zheng, François Treussart +1 more

Abstract The controlled and coherent manipulation of individual quantum systems is fundamental for the development of quantum information processing. The nitrogen-vacancy (NV) color center in diamond is a promising system since its photoluminescence is perfectly stable at room temperature and its electron spin can be optically read out at the individual level. We review here the experiments currently realized in our laboratory concerning the use of a single NV color center as the single photon source and the coherent magnetic manipulation of the electron spin associated with a single NV color center. Furthermore, we demonstrate a nanoscopy experiment based on the saturation absorption effect, which allows to optically pin-point a single NV color center at sub-λ resolution. This offers the possibility to independently address two or multiple magnetically coupled single NV color centers, which is a necessary step towards the realization of a diamond-based quantum computer.

arXiv:1002.2902•Advances in Natural Sciences Nanoscience and Nanotechnology•Mar 1, 2010•20 citations

Robust electronic-nuclear NV-13C spin systems in the diamond for quantum technologies

А. П. Низовцев, А.Л. Пушкарчук, С. А. Кутень +4 more

Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]Н252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотроп­ным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элемен­тов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильно­сти в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV-13C, по которым их можно идентифици­ровать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симме­трии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV-13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV-13C, имеющих малые скорости переворотов (W0.→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные систе­мы NV-13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выпол­ненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабиль­ных систем NV-13C уже наблюдались экспериментально.

•Jan 1, 2017•0 citations
金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在∣ms=−1⟩|m_s=-1\rangle∣ms​=−1⟩与∣ms=+1⟩|m_s=+1\rangle∣ms​=+1⟩两个Δms=±2\Delta m_s =\pm2Δms​=±2的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。
Precise readout of spin states is crucial for any approach toward physical realization of a spin-based quantum computer and for magnetometry with single spins. Here, we report a method to strongly improve the optical readout fidelity of electron spin states associated with single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. The signal-to-noise ratio is enhanced significantly by performing conditional flip-flop processes between the electron spin and the nuclear spin of the NV center's nitrogen atom. The enhanced readout procedure is triggered by a short preparatory pulse sequence. As the nitrogen nuclear spin is intrinsically present in the system, this method is universally applicable to any nitrogen-vacancy center. Besides the readout method, our studies included coherent control over a single nitrogen nuclear spin for the first time.
ダイヤモンドは量子情報処理のための有望なプラットフォームで、高度にコヒーレントな量子ビットを持つことができ、大規模な量子レジスターの構築を可能にします。そのためには、窒素空孔（NV）の電子スピン間でのコヒーレントな相互作用が必要で、スケーラブルなエンタングルメントを可能にします。これまで、双極子結合されたNVスピンペア間のエンタングルメントが示されていましたが、忠実度が限られており、エラーの原因は特定されていませんでした。本研究では、ダイヤモンド中のNV電子スピン間でロバストな2量子ビットゲートを設計・実装し、ゲート性能に影響を与える複数のエラー源を定量化しました。実験的に、環境条件下で96.0 ± 2.5%の記録的なゲート忠実度を証明しました。支配的なエラーの特定により、エラー修正しきい値を超えるNV-NVゲートへの道を開きます。
高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一, 而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射, 已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战. 针对这一难题, 本文提出一种基于强磁场调控氮空位(NV)色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案. 具体而言, 选取轴向强人造磁场(约2 T)作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力, 使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转. 借助高品质因子(Q \approx 5\times 10^4)谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型, 本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s–1; 在理想条件下, 可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射, 从而有望在室温条件下, 为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源.
Individual nuclear spins in diamond can be optically detected through hyperfine couplings with the electron spin of a single nitrogen-vacancy (NV) center; such nuclear spins have outstandingly long coherence times. Among the hyperfine couplings in the NV center, the nearest neighbor 13C nuclear spins have the largest coupling strength. Nearest neighbor 13C nuclear spins have the potential to perform fastest gate operations, providing highest fidelity in quantum computing. Herein, we report on the control of coherences in the NV center where all three nearest neighbor carbons are of the 13C isotope. Coherence among the three and four qubits are generated and analyzed at room temperature.
Abstract The controlled and coherent manipulation of individual quantum systems is fundamental for the development of quantum information processing. The nitrogen-vacancy (NV) color center in diamond is a promising system since its photoluminescence is perfectly stable at room temperature and its electron spin can be optically read out at the individual level. We review here the experiments currently realized in our laboratory concerning the use of a single NV color center as the single photon source and the coherent magnetic manipulation of the electron spin associated with a single NV color center. Furthermore, we demonstrate a nanoscopy experiment based on the saturation absorption effect, which allows to optically pin-point a single NV color center at sub-λ resolution. This offers the possibility to independently address two or multiple magnetically coupled single NV color centers, which is a necessary step towards the realization of a diamond-based quantum computer.
Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]Н252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотроп­ным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элемен­тов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильно­сти в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV-13C, по которым их можно идентифици­ровать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симме­трии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV-13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV-13C, имеющих малые скорости переворотов (W0.→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные систе­мы NV-13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выпол­ненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабиль­ных систем NV-13C уже наблюдались экспериментально.