量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)是(shi)構成(cheng)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基本單元。在(zai)(zai)可(ke)能實現量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)眾多候(hou)選者中(zhong)，金(jin)剛(gang)石氮空位中(zhong)心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引著(zhu)(zhu)越來越多研究者。構成(cheng)金(jin)剛(gang)石晶(jing)(jing)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要成(cheng)分是(shi)沒有(you)核自(zi)(zi)(zi)(zi)旋的(de)(de)(de)(de)(de)(de)12C原子(zi)(zi)。這個純凈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋環境讓氮空位中(zhong)心量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)在(zai)(zai)室溫下仍然保持著(zhu)(zhu)極長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相干時(shi)(shi)間，是(shi)少數直接工作(zuo)在(zai)(zai)室溫的(de)(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)之一。除了12C原子(zi)(zi)，金(jin)剛(gang)石中(zhong)還有(you)1.1%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)13C原子(zi)(zi)。它們(men)隨機(ji)分布(bu)在(zai)(zai)金(jin)剛(gang)石晶(jing)(jing)體(ti)中(zhong)，帶(dai)有(you)1/2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核自(zi)(zi)(zi)(zi)旋。這些核自(zi)(zi)(zi)(zi)旋具有(you)更長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壽命，也是(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)良載體(ti)。對量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單次(ci)讀(du)出(single-shot readout)是(shi)可(ke)拓展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計算的(de)(de)(de)(de)(de)(de)非常(chang)重要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術，金(jin)剛(gang)石里(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核自(zi)(zi)(zi)(zi)旋由于其(qi)超長的(de)(de)(de)(de)(de)(de)退相干時(shi)(shi)間（室溫下可(ke)以(yi)到秒），是(shi)優(you)良的(de)(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)比(bi)特(te)及量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)存儲器，但是(shi)通常(chang)情(qing)況下核自(zi)(zi)(zi)(zi)旋都很難(nan)實現單次(ci)讀(du)出。
量(liang)(liang)子力(li)學的基本原理(li)告訴我(wo)們(men)，對(dui)一個特定核自(zi)旋進行測量(liang)(liang)的結果只能是(shi)它(ta)(ta)的兩個本征態(tai)之(zhi)一。當連(lian)續(xu)多次觀(guan)測一個核自(zi)旋的狀態(tai)時，就有可能看到它(ta)(ta)在不同本征態(tai)之(zhi)間的跳變。借助(zhu)強磁(ci)場(chang)等極端條件，室(shi)溫下已經(jing)觀(guan)測到氮空位中(zhong)心近鄰強耦合(he)13C核自(zi)旋的量(liang)(liang)子跳變現象。但(dan)是(shi)已有的觀(guan)測方法并不適用于數目更(geng)多的弱耦合(he)13C核自(zi)旋，它(ta)(ta)們(men)的共振頻率非常接近，很難實現只觀(guan)測其中(zhong)一個而不影響其它(ta)(ta)核自(zi)旋的狀態(tai)。
中國(guo)科學院(yuan)物(wu)理(li)研(yan)究(jiu)(jiu)所/北(bei)京凝聚態物(wu)理(li)國(guo)家實(shi)(shi)驗室(shi)(shi)（籌）固態量(liang)(liang)(liang)子信息與計算實(shi)(shi)驗室(shi)(shi)Q01組研(yan)究(jiu)(jiu)員潘(pan)新宇(yu)團隊長(chang)期致力(li)于氮(dan)空位(wei)中心的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子計算和量(liang)(liang)(liang)子精(jing)密測(ce)量(liang)(liang)(liang)實(shi)(shi)驗研(yan)究(jiu)(jiu)。*近，他(ta)們和香港中文大學教授劉仁保及(ji)博(bo)士(shi)后劉剛欽(qin)以及(ji)物(wu)理(li)所理(li)論室(shi)(shi)研(yan)究(jiu)(jiu)員范(fan)桁合(he)(he)作(zuo)(zuo)，**性地提(ti)(ti)出并在實(shi)(shi)驗上演(yan)示了(le)一種用(yong)動(dong)力(li)學解耦(ou)(ou)脈沖來(lai)鎖定和連續測(ce)量(liang)(liang)(liang)弱(ruo)(ruo)耦(ou)(ou)合(he)(he)13C核(he)自旋(xuan)(xuan)狀態的(de)(de)(de)方法(fa)，在室(shi)(shi)溫下(xia)觀測(ce)到單(dan)個弱(ruo)(ruo)耦(ou)(ou)合(he)(he)13C核(he)自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子跳變。他(ta)們演(yan)示了(le)室(shi)(shi)溫下(xia)對金剛石里弱(ruo)(ruo)耦(ou)(ou)合(he)(he)的(de)(de)(de)13C核(he)自旋(xuan)(xuan)單(dan)次讀出技術(shu)，這(zhe)項技術(shu)填(tian)補了(le)該(gai)領域(yu)的(de)(de)(de)空白。他(ta)們成(cheng)功地單(dan)次讀出了(le)一個耦(ou)(ou)合(he)(he)強度為(wei)330 kHz的(de)(de)(de)13C核(he)自旋(xuan)(xuan)，讀出時長(chang)為(wei)200 ms，保真(zhen)度達(da)到95.5%，這(zhe)個工作(zuo)(zuo)為(wei)未(wei)來(lai)使用(yong)核(he)自旋(xuan)(xuan)作(zuo)(zuo)為(wei)量(liang)(liang)(liang)子計算的(de)(de)(de)載(zai)體提(ti)(ti)供重要(yao)的(de)(de)(de)技術(shu)支撐。
起源于核磁共(gong)振的(de)(de)動(dong)力學(xue)解(jie)耦(ou)(ou)(ou)技術，在2010年被引(yin)入氮空(kong)位(wei)中心體(ti)系，起初(chu)只是用(yong)來延長中心電(dian)子自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)相干時(shi)間(jian)。隨(sui)后(hou)的(de)(de)研究發(fa)現(xian)它可以**地定位(wei)和操控(kong)近鄰核自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)演(yan)化。在*近的(de)(de)這(zhe)(zhe)個工(gong)作中，他們提(ti)出用(yong)動(dong)力學(xue)解(jie)耦(ou)(ou)(ou)脈沖(chong)實現(xian)強度(du)可控(kong)的(de)(de)量(liang)子測(ce)量(liang)。通過(guo)有選擇(ze)性的(de)(de)連續弱測(ce)量(liang)，唯(wei)壹被選中的(de)(de)13C核自旋(xuan)(xuan)會被鎖(suo)定在其(qi)本征態，這(zhe)(zhe)個狀態會反映在中心電(dian)子自旋(xuan)(xuan)熒光(guang)強度(du)上(shang)并(bing)被記(ji)錄。基于這(zhe)(zhe)種高靈(ling)敏度(du)和高保(bao)真(zhen)度(du)的(de)(de)探(tan)測(ce)手段，處在復雜環境(jing)中的(de)(de)弱耦(ou)(ou)(ou)合(he)13C核自旋(xuan)(xuan)量(liang)子狀態跳(tiao)變(bian)被成功(gong)觀測(ce)到。核自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)單次讀出(single-shot readout)也變(bian)得不再需(xu)要強磁場和低溫等極端條件。該方案(an)大大提(ti)升了數量(liang)眾多(duo)且相干性質極好的(de)(de)弱耦(ou)(ou)(ou)合(he)13C核自旋(xuan)(xuan)的(de)(de)應(ying)用(yong)價值，對室溫下多(duo)量(liang)子比特(te)器件的(de)(de)構建具(ju)有重要意義(yi)。該工(gong)作已經發(fa)表在近期的(de)(de)《物理評論快(kuai)報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上(shang)。
該(gai)工作獲得(de)了(le)科技部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科學基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等(deng)項(xiang)目(mu)的支持。
圖1 用動力學解耦脈沖(chong)實(shi)現的(de)(de)可(ke)控(kong)量子測(ce)量，測(ce)量的(de)(de)強度取決(jue)于脈沖(chong)數(shu)目，而目標自(zi)旋的(de)(de)定(ding)位(wei)和選擇取決(jue)于脈沖(chong)的(de)(de)間隔。這個(ge)方案(an)尤其適用于氮空(kong)位(wei)中(zhong)心近(jin)鄰弱耦合的(de)(de)13C核自(zi)旋的(de)(de)讀出和測(ce)量。
圖2 氮空位中心近鄰13C核自旋(xuan)的(de)共(gong)振掃描結果。共(gong)振13C核自旋(xuan)的(de)存(cun)在會影響中心電(dian)子自旋(xuan)的(de)相干(gan)性質，兩者糾(jiu)纏度的(de)大小可以由脈沖數(shu)目(mu)控制(zhi)。
圖3 室溫下單個13C核自旋(xuan)量子跳(tiao)(tiao)變(bian)的實(shi)驗信號及保(bao)真度分析。其中(a)是實(shi)驗脈沖(chong)序列，(b)是典型的量子跳(tiao)(tiao)變(bian)信號，(c-d) 的數據(ju)分析顯示單次讀出保(bao)真度為95.5%。
圖4 13C核自旋量子態塌縮過程的數值模擬。結果顯示該方(fang)案對實驗脈沖誤差(cha)和共振條件(jian)有很好的適應度，連續(xu)的弱測(ce)量會將13C核自旋鎖定在其本征態上。
