自组装混合金刚石-生物量子器件

实现金刚石中氮空位（NV）中心的可扩展排列，仍然是通往高效量子信息处理、量子模拟和量子传感应用道路上的一个关键挑战。尽管已经开发了基于在块状金刚石晶体中注入NV中心的技术或混合器件方法，但它们在可达到的空间分辨率以及实现可扩展性所涉及的复杂技术难题方面受到限制。我们提出并演示了一种创建NV中心排列的新方法，该方法基于生物系统的自组装能力及其有益的纳米级空间分辨率。在此，一种自组装的蛋白质结构充当了表面功能化纳米金刚石的结构支架，从而允许在纳米尺度上受控地创建NV结构，并为桥接生物-纳米界面提供了一条新途径。一维、二维以及三维结构均在生物结构组装技术的范畴之内。我们通过实验，利用生物蛋白质支架互连纳米金刚石，实现了规则结构的形成。基于可实现的11纳米NV中心间距，我们评估了与相邻NV中心的预期偶极耦合相互作用以及预期的退相干时间。此外，通过利用这些耦合，我们对多量子比特量子操作的可行性进行了详细的理论分析，提出了基于NV内禀对称轴随机分布的个体寻址可能性，并探讨了退相干和不完美耦合带来的挑战。我们在最后部分演示了，我们的方案能够高保真度地创建纠缠、团簇态以及实现量子模拟应用。