量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)是(shi)構成量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算機的(de)(de)基本單元。在(zai)可(ke)(ke)能實現(xian)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算機的(de)(de)眾多候選者中(zhong)(zhong)，金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)氮空位中(zhong)(zhong)心(xin)(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引著(zhu)越來越多研(yan)究者。構成金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)晶體的(de)(de)主(zhu)要成分是(shi)沒有核自(zi)旋(xuan)(xuan)的(de)(de)12C原子(zi)(zi)。這個純凈的(de)(de)自(zi)旋(xuan)(xuan)環(huan)境讓(rang)氮空位中(zhong)(zhong)心(xin)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)在(zai)室溫(wen)下仍(reng)然(ran)保(bao)持著(zhu)極長的(de)(de)相干時(shi)間，是(shi)少數(shu)直(zhi)接工作(zuo)在(zai)室溫(wen)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)之一(yi)。除了12C原子(zi)(zi)，金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)中(zhong)(zhong)還有1.1%的(de)(de)13C原子(zi)(zi)。它(ta)們(men)隨機分布在(zai)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)晶體中(zhong)(zhong)，帶(dai)有1/2的(de)(de)核自(zi)旋(xuan)(xuan)。這些核自(zi)旋(xuan)(xuan)具有更(geng)長的(de)(de)壽(shou)命，也(ye)是(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)的(de)(de)優(you)良(liang)載體。對量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)的(de)(de)單次(ci)讀(du)出(single-shot readout)是(shi)可(ke)(ke)拓展的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算的(de)(de)非(fei)常(chang)重(zhong)要的(de)(de)技術(shu)，金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)里的(de)(de)核自(zi)旋(xuan)(xuan)由于其超長的(de)(de)退相干時(shi)間（室溫(wen)下可(ke)(ke)以到秒），是(shi)優(you)良(liang)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)比特(te)(te)及量(liang)(liang)子(zi)(zi)存儲(chu)器，但是(shi)通常(chang)情(qing)況下核自(zi)旋(xuan)(xuan)都很難實現(xian)單次(ci)讀(du)出。
量子(zi)力學的(de)(de)基本原理告訴我們，對一(yi)個(ge)(ge)特(te)定核(he)自(zi)(zi)旋(xuan)進(jin)行測(ce)量的(de)(de)結(jie)果只能(neng)是(shi)它(ta)的(de)(de)兩個(ge)(ge)本征(zheng)(zheng)態(tai)(tai)之(zhi)一(yi)。當連續多(duo)次(ci)觀測(ce)一(yi)個(ge)(ge)核(he)自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)狀態(tai)(tai)時，就有可能(neng)看到它(ta)在不同本征(zheng)(zheng)態(tai)(tai)之(zhi)間(jian)的(de)(de)跳(tiao)變。借助強(qiang)磁場等極端條件，室溫下已經觀測(ce)到氮空位中心(xin)近鄰強(qiang)耦合13C核(he)自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)量子(zi)跳(tiao)變現(xian)象。但是(shi)已有的(de)(de)觀測(ce)方法并(bing)不適用于數目更多(duo)的(de)(de)弱耦合13C核(he)自(zi)(zi)旋(xuan)，它(ta)們的(de)(de)共(gong)振(zhen)頻(pin)率非常接近，很難實現(xian)只觀測(ce)其中一(yi)個(ge)(ge)而不影響其它(ta)核(he)自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)狀態(tai)(tai)。
中國(guo)科學院物(wu)(wu)理研究(jiu)所/北京凝聚態物(wu)(wu)理國(guo)家實(shi)驗(yan)(yan)室（籌(chou)）固態量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)信(xin)息與(yu)計(ji)算實(shi)驗(yan)(yan)室Q01組(zu)研究(jiu)員潘新宇團隊長期致力于(yu)氮空位(wei)中心的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算和(he)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)精(jing)密測量(liang)(liang)(liang)實(shi)驗(yan)(yan)研究(jiu)。*近(jin)，他們和(he)香港中文大學教授劉仁(ren)保及博士后(hou)劉剛(gang)欽以及物(wu)(wu)理所理論(lun)室研究(jiu)員范桁(heng)合(he)(he)作(zuo)(zuo)，**性地提出并在(zai)(zai)實(shi)驗(yan)(yan)上演示(shi)了(le)(le)一種用(yong)動力學解耦脈沖來(lai)鎖定和(he)連續(xu)測量(liang)(liang)(liang)弱(ruo)(ruo)耦合(he)(he)13C核自旋狀態的(de)(de)(de)方法，在(zai)(zai)室溫下觀測到(dao)單個弱(ruo)(ruo)耦合(he)(he)13C核自旋的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)跳變。他們演示(shi)了(le)(le)室溫下對金剛(gang)石(shi)里弱(ruo)(ruo)耦合(he)(he)的(de)(de)(de)13C核自旋單次讀出技(ji)術，這(zhe)項技(ji)術填補了(le)(le)該(gai)領域的(de)(de)(de)空白(bai)。他們成功地單次讀出了(le)(le)一個耦合(he)(he)強度為(wei)(wei)(wei)330 kHz的(de)(de)(de)13C核自旋，讀出時長為(wei)(wei)(wei)200 ms，保真度達到(dao)95.5%，這(zhe)個工作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)未來(lai)使用(yong)核自旋作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)(wei)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)計(ji)算的(de)(de)(de)載體提供重要(yao)的(de)(de)(de)技(ji)術支(zhi)撐。
起源(yuan)于(yu)核(he)磁共振的(de)(de)(de)(de)動力學(xue)解(jie)耦技(ji)術，在(zai)(zai)2010年(nian)被引(yin)入氮空位中(zhong)(zhong)心(xin)體(ti)系，起初(chu)只是用來延長中(zhong)(zhong)心(xin)電(dian)子(zi)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)相干時間。隨后的(de)(de)(de)(de)研究發現它可(ke)以**地定位和操控(kong)近鄰核(he)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)演化。在(zai)(zai)*近的(de)(de)(de)(de)這(zhe)個(ge)工作中(zhong)(zhong)，他們(men)提出用動力學(xue)解(jie)耦脈沖實現強(qiang)度可(ke)控(kong)的(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)測量(liang)(liang)。通(tong)過(guo)有選(xuan)擇性的(de)(de)(de)(de)連(lian)續弱(ruo)測量(liang)(liang)，唯(wei)壹被選(xuan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)13C核(he)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)會(hui)被鎖定在(zai)(zai)其本征(zheng)態(tai)(tai)，這(zhe)個(ge)狀態(tai)(tai)會(hui)反(fan)映在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)心(xin)電(dian)子(zi)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)熒光強(qiang)度上(shang)并被記(ji)錄。基于(yu)這(zhe)種高靈敏度和高保真度的(de)(de)(de)(de)探(tan)測手(shou)段，處在(zai)(zai)復雜環境(jing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)弱(ruo)耦合(he)13C核(he)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)量(liang)(liang)子(zi)狀態(tai)(tai)跳變被成(cheng)功觀測到。核(he)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)單次讀出(single-shot readout)也變得不(bu)再需要強(qiang)磁場和低溫等極端條(tiao)件(jian)。該方案大(da)大(da)提升了數量(liang)(liang)眾多(duo)且(qie)相干性質極好的(de)(de)(de)(de)弱(ruo)耦合(he)13C核(he)自(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)應用價值，對(dui)室溫下多(duo)量(liang)(liang)子(zi)比特(te)器件(jian)的(de)(de)(de)(de)構(gou)建具(ju)有重要意義。該工作已經發表在(zai)(zai)近期的(de)(de)(de)(de)《物(wu)理評論快報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上(shang)。
該工作(zuo)獲得了科技(ji)部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科學(xue)基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等項目(mu)的(de)支持(chi)。
圖1 用動力(li)學解耦(ou)脈沖實現的(de)可(ke)控量(liang)子測量(liang)，測量(liang)的(de)強度取決(jue)于(yu)脈沖數目(mu)，而(er)目(mu)標自旋的(de)定(ding)位和選擇取決(jue)于(yu)脈沖的(de)間隔(ge)。這個(ge)方(fang)案尤其適用于(yu)氮空位中心近鄰弱耦(ou)合的(de)13C核(he)自旋的(de)讀出和測量(liang)。
圖2 氮空位中心近(jin)鄰13C核(he)自(zi)旋的(de)(de)共振(zhen)掃描結果(guo)。共振(zhen)13C核(he)自(zi)旋的(de)(de)存在會(hui)影響中心電(dian)子自(zi)旋的(de)(de)相干性質，兩者糾纏度的(de)(de)大小可以由脈沖數目控制(zhi)。
圖(tu)3 室溫下單(dan)個13C核自旋(xuan)量子跳(tiao)變的(de)實(shi)驗(yan)信(xin)(xin)號(hao)及保真度(du)分析。其中(a)是實(shi)驗(yan)脈沖(chong)序列，(b)是典型(xing)的(de)量子跳(tiao)變信(xin)(xin)號(hao)，(c-d) 的(de)數據分析顯示單(dan)次讀(du)出保真度(du)為95.5%。
圖(tu)4 13C核(he)自旋量子態塌(ta)縮過程的(de)數值模擬。結果顯示該(gai)方案(an)對(dui)實驗脈沖誤差和(he)共振(zhen)條件有很好的(de)適應(ying)度，連續的(de)弱(ruo)測(ce)量會將13C核(he)自旋鎖定在其(qi)本征態上。
