量子计算在近20年发展迅速，也受到各界的广泛关注。尤其是在2019年10月23日，美国加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的实验物理学家约翰·马蒂尼斯(John Martinis)和加州山景城谷歌(Google)领导的一个团队宣布实现“量子霸权”，声称用54个超导量子位的量子计算机Sycamore以3分20秒完成了全球最强大的超算Summit要花1万年完成的计算任务。媒体和公众对量子计算的发展前景更加期待。
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固态量子计算体系
谷歌的量子计算机，所有量子位都需要在超低温环境下工作
在诸多量子计算的候选体系中，固态体系是极其重要的一类体系。在固态体系中，虽然一个量子系统与周围的环境紧密相连，但这也让它们具有更多的自由度。比如超导比特、GaAs中量子点的自旋比特、机械振子、硅晶体中的磷缺陷等。
不过大部分的这类体系都需要在低温状态下才可以实现，这样才能抑制与振动、激发环境中电子自旋的强耦合。比如磷硅体系的自旋1/2的基态电子自旋，仅仅在20 K的温度下才稳定。因为它的能级之间的能带间隙太小了，近似于导带。很强的自旋与晶格之间的相互作用导致它只能在极低的温度下才能实现很长的相干时间。
量子计算固态体系：（a）超导比特（b）GaAs中量子点（c）金刚石NV色心（d）硅晶体中磷缺陷
金刚石中的氮-空位(NV)色心是固态体系中较特殊的一个，因为在常温常压下它就可以实现高保真度的量子逻辑门。NV色心的自旋量子数S=1，电子自旋态可被532 nm激光初始化和光读出。基于金刚石的NV色心体系，我们可以实现量子调控与量子计算等方面的实验。在运用NV色心实现这些应用之前，我们需要先对NV色心的结构与性质做一个了解。
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NV色心结构和性质
天然金刚石是价格昂贵的装饰品，在工业领域和科研领域也有着重要应用。金刚石是碳元素的一种同素异形体，晶格属于面心立方结构，每个碳原子与邻近的碳原子以共价键相连，且采取sp3轨道杂化，碳-碳键的键长是154 pm，具有高硬度、透明、高热导率等一系列优良特性。
NV色心是金刚石中的一种点缺陷，一个氮原子替位了一个碳原子，并在紧邻的位置有个空位，其对称点群是C3v。NV色心可以有几种不同的电荷态：NV0，NV+和NV-。来自空位悬挂键有三个电子，氮原子提供两个电子，这个五个电子填充的NV色心的分子能级，得到的就是NV0，其自旋量子数是S=1/2。捕获或者电离一个电子，会变成NV-或者NV+，他们的自旋量子数分别为S=1和S=0。尽管这三种电荷态的NV色心都被实验研究过，但目前应用最为广泛，性质最为优良的还是NV-（下文所提到的NV色心皆为NV-）。
NV色心晶格结构和能级结构
选取基态的|ms = 0⟩ 和|ms = 1⟩ 作为量子比特，NV色心的自旋极化就对应于将量子比特的初态极化到|0⟩ 态。由于|ms = ±1⟩ 态有更大的概率通过无辐射跃迁，回到基态。所以|ms = 0⟩ 态的荧光比|ms = ±1⟩ 态的荧光强度大，实验上得出约大20-40%。根据|ms = 0⟩ 态和|ms = ±1⟩ 态对应荧光强度的差别，就可以区分NV色心的自旋态，即实现对自旋量子比特状态的读出。
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连续波实验
连续波实验（Continuous Wave）以NV色心的三能级系统作为量子比特，实现量子比特初始化和读出。同时展示塞曼效应，验证NV色心的能级结构，说明NV色心的自旋操控的光探测磁共振原理。
连续波实验将激光和微波以恒定的功率照射到NV色心上的，微波的频率作为一个变量在一个范围内变化，这个时候收集到的荧光计数也会随之发生变化。
NV色心的连续波谱示意图，谱线上两个低谷之间的间隔，正比于外磁场的大小
首先波长为532 nm的激光会将电子自旋极化到亮态|ms = 0⟩ 态，当微波频率与电子自旋共振跃迁（从|ms = 0⟩ 态到|ms = -1⟩ 态或者|ms = 1⟩ 态）的频率一致的时候，布居度会在这两个态之间重新分布，从而导致亮态|ms = 0⟩ 态布居度减小，总的荧光也减小。如果没有施加静磁场，那么电子自旋会在2870 MHz出现一个谷，也就是荧光到达一个最低值。而在有磁场的情况下，它的|ms = ±1⟩ 态不是简并的，所以会出现两个谷值。左侧的低谷对应于|ms = 0⟩→ |ms = -1⟩ 的跃迁，右侧的低谷对应于|ms = 0⟩→ |ms = 1⟩ 的跃迁。
根据塞曼效应，两个低谷对应的频率之差，正比于外磁场的大小。我们可通过连续波实验来研究NV色心的能级结构，并且连续波实验也是一个重要的校准微波频率的方法。此外，它对于研究NV自旋与周围其他核自旋的耦合，也是一个重要的手段。
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实验操作与内容
金刚石量子计算教学机
金刚石量子计算教学机由微波模块、光路模块、控制采集模块、电源模块组成，丰富的硬件使教学机支持仪器调节实验、连续波实验、拉比振荡实验、T2与回波实验、动力学去耦实验、D.J.算法实验等量子计算相关基础实验，以及量子精密测量、光探测磁共振等更多教学内容的拓展开发。金刚石量子计算教学机配备实验软件Diamond I Studio，用于调节实验相关参数和显示实验谱图。下图是连续波实验的实验界面。
连续波实验界面
首先，我们
实验原理图
实验原理图用于帮助理解实验原理。黄色代表微波，绿色代表激光。测量NV色心连续波谱的时候，收集的是其发出的荧光信号，这其中的物理基础是，NV色心的自旋态能够被激光初始化，并且发出荧光的亮度是依赖于自旋状态的。施加微波到色心上，当共振的微波改变了自旋状态，自旋在|ms = 0⟩ 态和|ms = ±1⟩ 态的布居发生变化，从而改变荧光强度。因此谱线上会出现低谷。
实验谱图将显示实验现象和结果。横坐标为微波频率，纵坐标为荧光强度。参数配置区域用于输入实验参数。其中起始值和结束值与中心值和频率宽度两者等价，均用于规定微波频率扫描的范围；步进次数规定要进行多少次步进；累加次数规定进行多少次循环的重复实验并累加得到实验结果；波源功率规定了扫描过程中波源的功率值；自动保存路径会把实验结果，实验数据，实验图形保存到对应的文件位置，我们选择保存路径将会自动生成以日期命名的数据文件夹。
实验控制区域，
基于金刚石量子计算教学机，国仪量子可以提供量子计算教学相关的实验室建设、教学讲义、教学视频、教学课件、示范课培训等整体配套解决方案，辅助学校轻松开设实验课程。
注：部分信息及图片来源于网络
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