量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特是(shi)(shi)構(gou)成(cheng)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)機的(de)(de)(de)基本單元。在可能實現(xian)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)機的(de)(de)(de)眾多(duo)候(hou)選者(zhe)中，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石氮空位中心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引著越來越多(duo)研(yan)究者(zhe)。構(gou)成(cheng)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石晶體(ti)的(de)(de)(de)主要成(cheng)分是(shi)(shi)沒(mei)有核(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)12C原子(zi)(zi)。這(zhe)個純(chun)凈的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)環境(jing)讓氮空位中心量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特在室溫(wen)下仍然保持著極長(chang)的(de)(de)(de)相干(gan)時(shi)間，是(shi)(shi)少數直接工作(zuo)在室溫(wen)的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特之(zhi)一。除(chu)了(le)12C原子(zi)(zi)，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石中還有1.1%的(de)(de)(de)13C原子(zi)(zi)。它們隨(sui)機分布在金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石晶體(ti)中，帶有1/2的(de)(de)(de)核(he)自(zi)旋(xuan)。這(zhe)些核(he)自(zi)旋(xuan)具(ju)有更長(chang)的(de)(de)(de)壽(shou)命(ming)，也(ye)是(shi)(shi)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)(de)優(you)(you)良(liang)載體(ti)。對量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特的(de)(de)(de)單次(ci)讀(du)出(single-shot readout)是(shi)(shi)可拓展的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)的(de)(de)(de)非常重(zhong)要的(de)(de)(de)技術，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石里的(de)(de)(de)核(he)自(zi)旋(xuan)由于其(qi)超(chao)長(chang)的(de)(de)(de)退相干(gan)時(shi)間（室溫(wen)下可以到秒），是(shi)(shi)優(you)(you)良(liang)的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)比(bi)特及量(liang)子(zi)(zi)存儲器，但(dan)是(shi)(shi)通常情況(kuang)下核(he)自(zi)旋(xuan)都(dou)很難(nan)實現(xian)單次(ci)讀(du)出。
量(liang)子(zi)力學的(de)(de)(de)基本(ben)原理告訴我們，對一個特定核(he)自(zi)旋(xuan)進行測量(liang)的(de)(de)(de)結(jie)果只能是(shi)它(ta)的(de)(de)(de)兩個本(ben)征(zheng)態(tai)之一。當連續多(duo)次觀(guan)(guan)測一個核(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)時，就有可能看到它(ta)在不同(tong)本(ben)征(zheng)態(tai)之間的(de)(de)(de)跳變。借助強磁場等極(ji)端條(tiao)件(jian)，室溫下已經(jing)觀(guan)(guan)測到氮空位中心近(jin)鄰強耦(ou)合13C核(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)跳變現(xian)象(xiang)。但(dan)是(shi)已有的(de)(de)(de)觀(guan)(guan)測方(fang)法并不適用于數(shu)目更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)弱耦(ou)合13C核(he)自(zi)旋(xuan)，它(ta)們的(de)(de)(de)共振頻(pin)率非常接近(jin)，很(hen)難實(shi)現(xian)只觀(guan)(guan)測其(qi)中一個而不影響其(qi)它(ta)核(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態(tai)。
中(zhong)國科學院物理(li)研(yan)(yan)究所/北京凝聚態物理(li)國家(jia)實(shi)(shi)驗(yan)室（籌）固態量(liang)子(zi)(zi)(zi)信(xin)息(xi)與計(ji)算(suan)實(shi)(shi)驗(yan)室Q01組(zu)研(yan)(yan)究員潘新宇團隊長(chang)期致(zhi)力于氮(dan)空位(wei)中(zhong)心的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)和(he)量(liang)子(zi)(zi)(zi)精(jing)密測(ce)量(liang)實(shi)(shi)驗(yan)研(yan)(yan)究。*近，他(ta)們(men)和(he)香(xiang)港中(zhong)文大學教授劉仁(ren)保及博(bo)士后劉剛欽(qin)以及物理(li)所理(li)論室研(yan)(yan)究員范(fan)桁合(he)(he)(he)作(zuo)，**性地(di)提出(chu)(chu)并在實(shi)(shi)驗(yan)上演示(shi)了(le)一(yi)種用動(dong)力學解耦脈沖來(lai)鎖定(ding)和(he)連續測(ce)量(liang)弱耦合(he)(he)(he)13C核(he)自(zi)旋(xuan)狀態的(de)(de)(de)方法，在室溫(wen)下觀測(ce)到單(dan)個弱耦合(he)(he)(he)13C核(he)自(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)跳變。他(ta)們(men)演示(shi)了(le)室溫(wen)下對金(jin)剛石里(li)弱耦合(he)(he)(he)的(de)(de)(de)13C核(he)自(zi)旋(xuan)單(dan)次讀(du)出(chu)(chu)技術(shu)(shu)，這項技術(shu)(shu)填補了(le)該領域的(de)(de)(de)空白。他(ta)們(men)成功地(di)單(dan)次讀(du)出(chu)(chu)了(le)一(yi)個耦合(he)(he)(he)強度(du)(du)為330 kHz的(de)(de)(de)13C核(he)自(zi)旋(xuan)，讀(du)出(chu)(chu)時長(chang)為200 ms，保真度(du)(du)達(da)到95.5%，這個工作(zuo)為未來(lai)使用核(he)自(zi)旋(xuan)作(zuo)為量(liang)子(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)的(de)(de)(de)載體(ti)提供(gong)重要的(de)(de)(de)技術(shu)(shu)支撐(cheng)。
起源于(yu)核(he)磁共振(zhen)的(de)(de)(de)(de)動力學(xue)解耦(ou)技術，在(zai)2010年(nian)被(bei)引入氮空位中心體系，起初只是用來延長(chang)中心電(dian)(dian)子自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)干(gan)(gan)時(shi)間。隨(sui)后的(de)(de)(de)(de)研究發現它可以**地定位和(he)操(cao)控(kong)近(jin)鄰(lin)核(he)自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)演化(hua)。在(zai)*近(jin)的(de)(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)個工(gong)作(zuo)中，他們(men)提(ti)出(chu)用動力學(xue)解耦(ou)脈沖實現強度可控(kong)的(de)(de)(de)(de)量子測量。通過有(you)選擇性的(de)(de)(de)(de)連續弱測量，唯壹(yi)被(bei)選中的(de)(de)(de)(de)13C核(he)自旋(xuan)會被(bei)鎖定在(zai)其本征態，這(zhe)(zhe)個狀態會反映在(zai)中心電(dian)(dian)子自旋(xuan)熒光(guang)強度上(shang)并被(bei)記(ji)錄。基于(yu)這(zhe)(zhe)種高靈敏度和(he)高保真度的(de)(de)(de)(de)探測手段，處在(zai)復雜環境中的(de)(de)(de)(de)弱耦(ou)合13C核(he)自旋(xuan)量子狀態跳變(bian)被(bei)成功觀測到。核(he)自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)單次讀出(chu)(single-shot readout)也(ye)變(bian)得不再(zai)需要強磁場(chang)和(he)低溫(wen)等極端條件(jian)。該方案大大提(ti)升了(le)數量眾多且相(xiang)干(gan)(gan)性質極好的(de)(de)(de)(de)弱耦(ou)合13C核(he)自旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)應用價(jia)值，對室溫(wen)下多量子比特器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)構建(jian)具(ju)有(you)重要意(yi)義。該工(gong)作(zuo)已經發表(biao)在(zai)近(jin)期的(de)(de)(de)(de)《物理評論(lun)快報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上(shang)。
該工作獲得了科技部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科學(xue)基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等項目的支持。
圖1 用動力(li)學(xue)解耦脈(mo)沖實現(xian)的(de)可控量子(zi)測量，測量的(de)強度(du)取決于脈(mo)沖數目，而目標(biao)自旋(xuan)的(de)定位和選擇取決于脈(mo)沖的(de)間隔。這個方案(an)尤其(qi)適用于氮(dan)空位中心近鄰弱耦合(he)的(de)13C核自旋(xuan)的(de)讀出(chu)和測量。
圖2 氮空位中(zhong)心(xin)近鄰13C核(he)(he)自旋(xuan)(xuan)的(de)共(gong)振(zhen)掃(sao)描結(jie)果。共(gong)振(zhen)13C核(he)(he)自旋(xuan)(xuan)的(de)存在會影響(xiang)中(zhong)心(xin)電子自旋(xuan)(xuan)的(de)相干性質(zhi)，兩者(zhe)糾纏度的(de)大小可以(yi)由脈沖數目控制(zhi)。
圖3 室溫下單個13C核自旋量子(zi)(zi)跳(tiao)變(bian)的實(shi)驗信(xin)號(hao)(hao)及(ji)保真度(du)分(fen)析。其中(a)是(shi)實(shi)驗脈沖(chong)序(xu)列，(b)是(shi)典型的量子(zi)(zi)跳(tiao)變(bian)信(xin)號(hao)(hao)，(c-d) 的數據分(fen)析顯示單次讀出保真度(du)為95.5%。
圖(tu)4 13C核自旋(xuan)量子態塌縮過程的(de)數值模(mo)擬。結果顯示該方案對實驗脈沖誤差(cha)和共振條(tiao)件(jian)有很好的(de)適(shi)應度，連(lian)續的(de)弱測量會將13C核自旋(xuan)鎖(suo)定在其(qi)本征態上。
