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2021-06-01

物理所合作發現室溫下金剛石里弱耦合核自旋的量子跳變

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量子(zi)(zi)比(bi)特是(shi)(shi)構(gou)成量子(zi)(zi)計算機(ji)的(de)(de)(de)(de)基(ji)本單元。在可能實現(xian)量子(zi)(zi)計算機(ji)的(de)(de)(de)(de)眾多(duo)候(hou)選(xuan)者中(zhong),金剛石(shi)(shi)氮(dan)空位中(zhong)心(xin)(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸(xi)引著(zhu)越來越多(duo)研究(jiu)者。構(gou)成金剛石(shi)(shi)晶(jing)體的(de)(de)(de)(de)主要成分是(shi)(shi)沒有核自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)12C原子(zi)(zi)。這個純凈的(de)(de)(de)(de)自旋(xuan)環境讓氮(dan)空位中(zhong)心(xin)量子(zi)(zi)比(bi)特在室溫(wen)下仍(reng)然保持著(zhu)極長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)相干時間,是(shi)(shi)少數直接(jie)工作(zuo)在室溫(wen)的(de)(de)(de)(de)量子(zi)(zi)比(bi)特之一(yi)。除了12C原子(zi)(zi),金剛石(shi)(shi)中(zhong)還有1.1%的(de)(de)(de)(de)13C原子(zi)(zi)。它們隨機(ji)分布(bu)在金剛石(shi)(shi)晶(jing)體中(zhong),帶(dai)有1/2的(de)(de)(de)(de)核自旋(xuan)。這些核自旋(xuan)具有更長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)壽命,也是(shi)(shi)量子(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)(de)(de)優(you)(you)良載(zai)體。對(dui)量子(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)(de)(de)單次讀出(single-shot readout)是(shi)(shi)可拓展的(de)(de)(de)(de)量子(zi)(zi)計算的(de)(de)(de)(de)非(fei)常重要的(de)(de)(de)(de)技術,金剛石(shi)(shi)里(li)的(de)(de)(de)(de)核自旋(xuan)由(you)于其超長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)退相干時間(室溫(wen)下可以到秒),是(shi)(shi)優(you)(you)良的(de)(de)(de)(de)量子(zi)(zi)比(bi)特及(ji)量子(zi)(zi)存儲器,但是(shi)(shi)通(tong)常情況下核自旋(xuan)都(dou)很(hen)難實現(xian)單次讀出。

       

        量(liang)子力學(xue)的(de)(de)基本原理告訴我們,對一(yi)個(ge)特定核自(zi)(zi)旋進行(xing)測(ce)(ce)(ce)量(liang)的(de)(de)結果只能是它的(de)(de)兩個(ge)本征態之一(yi)。當連續多次(ci)觀測(ce)(ce)(ce)一(yi)個(ge)核自(zi)(zi)旋的(de)(de)狀態時,就有可能看(kan)到(dao)(dao)它在不(bu)同本征態之間的(de)(de)跳變(bian)。借(jie)助強磁(ci)場等極端條件(jian),室溫下已經觀測(ce)(ce)(ce)到(dao)(dao)氮空位中心近鄰強耦合13C核自(zi)(zi)旋的(de)(de)量(liang)子跳變(bian)現(xian)象。但是已有的(de)(de)觀測(ce)(ce)(ce)方法并(bing)不(bu)適用于數(shu)目更(geng)多的(de)(de)弱耦合13C核自(zi)(zi)旋,它們的(de)(de)共振頻率非常接近,很難(nan)實現(xian)只觀測(ce)(ce)(ce)其中一(yi)個(ge)而不(bu)影(ying)響其它核自(zi)(zi)旋的(de)(de)狀態。

       

        中(zhong)國科(ke)學(xue)院物理(li)研究(jiu)所(suo)/北京凝(ning)聚(ju)態(tai)物理(li)國家(jia)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室(籌)固(gu)態(tai)量(liang)子(zi)(zi)信息與計(ji)算實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室Q01組研究(jiu)員潘新(xin)宇團隊長期致力于(yu)氮空(kong)位(wei)中(zhong)心的(de)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算和(he)量(liang)子(zi)(zi)精(jing)密測量(liang)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)研究(jiu)。*近,他(ta)(ta)們(men)(men)和(he)香港中(zhong)文大學(xue)教(jiao)授劉仁保及博(bo)士后劉剛欽以(yi)及物理(li)所(suo)理(li)論室研究(jiu)員范桁合(he)作(zuo),**性(xing)地提(ti)出并在(zai)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)上演示(shi)了一種用(yong)動(dong)力學(xue)解耦(ou)脈沖來(lai)鎖(suo)定和(he)連續測量(liang)弱(ruo)耦(ou)合(he)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)狀態(tai)的(de)方法(fa),在(zai)室溫(wen)下(xia)觀(guan)測到單個弱(ruo)耦(ou)合(he)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)的(de)量(liang)子(zi)(zi)跳(tiao)變。他(ta)(ta)們(men)(men)演示(shi)了室溫(wen)下(xia)對金剛石里(li)弱(ruo)耦(ou)合(he)的(de)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)單次(ci)讀出技(ji)術,這項(xiang)技(ji)術填補了該領域的(de)空(kong)白。他(ta)(ta)們(men)(men)成功地單次(ci)讀出了一個耦(ou)合(he)強(qiang)度(du)為(wei)330 kHz的(de)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan),讀出時長為(wei)200 ms,保真度(du)達到95.5%,這個工(gong)作(zuo)為(wei)未來(lai)使用(yong)核(he)(he)自(zi)旋(xuan)作(zuo)為(wei)量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算的(de)載體提(ti)供重要(yao)的(de)技(ji)術支撐。

       

        起(qi)源于(yu)核(he)(he)磁(ci)(ci)共振的(de)(de)(de)動(dong)力學(xue)解耦技術,在2010年被引入(ru)氮空位中(zhong)心(xin)體系,起(qi)初只是用(yong)來延長中(zhong)心(xin)電子自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)相(xiang)干時間。隨后的(de)(de)(de)研究發現它可以**地定位和操控近(jin)鄰核(he)(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)演化。在*近(jin)的(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)個工(gong)(gong)作中(zhong),他(ta)們提(ti)出用(yong)動(dong)力學(xue)解耦脈沖(chong)實(shi)現強(qiang)度可控的(de)(de)(de)量(liang)(liang)(liang)子測(ce)量(liang)(liang)(liang)。通過有(you)選擇性的(de)(de)(de)連續弱測(ce)量(liang)(liang)(liang),唯(wei)壹被選中(zhong)的(de)(de)(de)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)會被鎖定在其本征(zheng)態(tai),這(zhe)(zhe)個狀(zhuang)態(tai)會反映在中(zhong)心(xin)電子自(zi)旋(xuan)熒光強(qiang)度上并(bing)被記(ji)錄。基于(yu)這(zhe)(zhe)種高靈敏(min)度和高保真(zhen)度的(de)(de)(de)探測(ce)手(shou)段,處在復雜(za)環境中(zhong)的(de)(de)(de)弱耦合(he)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)量(liang)(liang)(liang)子狀(zhuang)態(tai)跳變被成功觀測(ce)到(dao)。核(he)(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)單次讀出(single-shot readout)也變得(de)不(bu)再需要強(qiang)磁(ci)(ci)場和低溫(wen)等(deng)極(ji)端條件。該方案(an)大(da)大(da)提(ti)升了(le)數(shu)量(liang)(liang)(liang)眾多且相(xiang)干性質極(ji)好(hao)的(de)(de)(de)弱耦合(he)13C核(he)(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)應用(yong)價值,對室溫(wen)下多量(liang)(liang)(liang)子比(bi)特器件的(de)(de)(de)構建(jian)具(ju)有(you)重要意義。該工(gong)(gong)作已經發表在近(jin)期的(de)(de)(de)《物理評論快(kuai)報(bao)》(Physical Review Letters 118, 150504 (2017))上。

       

        該(gai)工(gong)作獲(huo)得了科(ke)技(ji)部(2014CB921402,2015CB921103)、國家自然科(ke)學(xue)基(ji)金委(11574386)、中科(ke)院(yuan)(XDB07010300)等項(xiang)目(mu)的(de)支(zhi)持。

                        圖1 用(yong)動力(li)學(xue)解(jie)耦脈(mo)沖(chong)(chong)實現的(de)可(ke)控量(liang)子測量(liang),測量(liang)的(de)強度取(qu)決于脈(mo)沖(chong)(chong)數目(mu),而目(mu)標自旋的(de)定(ding)位(wei)和選(xuan)擇取(qu)決于脈(mo)沖(chong)(chong)的(de)間隔(ge)。這個方案(an)尤其適(shi)用(yong)于氮空位(wei)中(zhong)心近(jin)鄰弱耦合的(de)13C核自旋的(de)讀出和測量(liang)。

                        圖(tu)2 氮空位中心近鄰(lin)13C核(he)自(zi)旋(xuan)的共(gong)振掃描結(jie)果(guo)。共(gong)振13C核(he)自(zi)旋(xuan)的存(cun)在會影響中心電子(zi)自(zi)旋(xuan)的相干性質(zhi),兩者糾纏(chan)度的大(da)小可(ke)以由脈沖數目控(kong)制。

                        圖3 室(shi)溫下(xia)單(dan)個13C核自旋量(liang)子(zi)跳(tiao)變的實驗信(xin)號及保(bao)真度(du)分析。其中(a)是實驗脈沖序列,(b)是典型的量(liang)子(zi)跳(tiao)變信(xin)號,(c-d) 的數據分析顯(xian)示單(dan)次讀出保(bao)真度(du)為(wei)95.5%。

                        圖4 13C核自旋量(liang)(liang)子(zi)態塌縮過程的數值(zhi)模擬。結(jie)果(guo)顯示該方案對實驗脈沖誤(wu)差和共振條件有很(hen)好的適(shi)應度(du),連續的弱測量(liang)(liang)會將(jiang)13C核自旋鎖定在其(qi)本征態上。


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