强驱动 regime 下核自旋的相干操控

基于自旋的量子信息处理广泛利用自旋态操控。这包括量子传感实验中对核自旋的动力学解耦，以及量子处理器中对量子比特施加逻辑门。在此，我们提出一种用于量子传感实验中强驱动的天线，并从理论上探讨强驱动 regime 的挑战。首先，我们设计并实现了一种微米级平面螺旋射频天线，能够向样品施加强场。该平面天线专为利用金刚石氮空位（NV）中心的量子传感实验量身定制，也应适用于其他固态缺陷。该天线具有 22 MHz 的宽带宽，与扫描探针兼容，并适用于低温与超高真空条件。我们测量了天线感生的磁场，估计出场流比为 $113\pm 16$ G/A，较现有最优水平效率提升 6 倍。我们通过驱动金刚石表面有机样品中 $^1$H 自旋的 Rabi 振荡来演示该天线，并测得超过 500 kHz 的 $^1$H Rabi 频率，即短于 1 $\mu s$ 的 $\mathrm{\pi}$-脉冲——快于先前报道的基于 NV 的核磁共振（NMR）。最后，我们讨论了在以驱动振幅与自旋态分裂相当、旋转波近似不能很好描述动力学的 regime 下，用偏离横截面的场驱动自旋的影响。我们给出了一种基于相位与偏移平移正弦驱动的、可在该 regime 优化脉冲保真度的方案，其无需数值优化程序或实验的精确建模即可优化。我们在一系列驱动振幅下考量该方法，并表明其在倾斜驱动场情形下尤为高效。