量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特是(shi)(shi)構成(cheng)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)機的(de)基本單(dan)元。在(zai)可能實現(xian)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)機的(de)眾(zhong)多(duo)候選(xuan)者(zhe)(zhe)中(zhong)，金(jin)剛石氮空位(wei)中(zhong)心(xin)(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸(xi)引著(zhu)越(yue)來越(yue)多(duo)研究者(zhe)(zhe)。構成(cheng)金(jin)剛石晶體(ti)(ti)的(de)主要成(cheng)分是(shi)(shi)沒有(you)(you)(you)(you)核(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)的(de)12C原子(zi)(zi)(zi)。這個純凈的(de)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)環境讓氮空位(wei)中(zhong)心(xin)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特在(zai)室溫下(xia)(xia)仍然保持(chi)著(zhu)極長的(de)相干(gan)(gan)時間，是(shi)(shi)少數直接工作在(zai)室溫的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特之一。除了12C原子(zi)(zi)(zi)，金(jin)剛石中(zhong)還有(you)(you)(you)(you)1.1%的(de)13C原子(zi)(zi)(zi)。它們隨機分布在(zai)金(jin)剛石晶體(ti)(ti)中(zhong)，帶有(you)(you)(you)(you)1/2的(de)核(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)。這些核(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)具有(you)(you)(you)(you)更長的(de)壽(shou)命，也(ye)是(shi)(shi)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特的(de)優(you)良載(zai)體(ti)(ti)。對量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特的(de)單(dan)次讀出(single-shot readout)是(shi)(shi)可拓展的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)的(de)非常重要的(de)技術，金(jin)剛石里的(de)核(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)由(you)于其超長的(de)退相干(gan)(gan)時間（室溫下(xia)(xia)可以到秒(miao)），是(shi)(shi)優(you)良的(de)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特及(ji)量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)存儲器(qi)，但是(shi)(shi)通常情(qing)況(kuang)下(xia)(xia)核(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)都很難實現(xian)單(dan)次讀出。
量子力學的(de)(de)基本原理(li)告訴我們，對一個特(te)定核自(zi)(zi)旋(xuan)進行測(ce)量的(de)(de)結果只能(neng)是(shi)它的(de)(de)兩個本征態(tai)之一。當連(lian)續多次(ci)觀(guan)(guan)測(ce)一個核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)狀態(tai)時，就有可能(neng)看到(dao)它在(zai)不同本征態(tai)之間的(de)(de)跳變。借助強磁場等極(ji)端(duan)條(tiao)件，室溫(wen)下已(yi)經觀(guan)(guan)測(ce)到(dao)氮空位中(zhong)心(xin)近鄰強耦合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)量子跳變現(xian)象。但是(shi)已(yi)有的(de)(de)觀(guan)(guan)測(ce)方法并不適用于數目(mu)更(geng)多的(de)(de)弱(ruo)耦合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)，它們的(de)(de)共振(zhen)頻率非常接近，很難實現(xian)只觀(guan)(guan)測(ce)其(qi)中(zhong)一個而不影(ying)響其(qi)它核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)狀態(tai)。
中國科學(xue)(xue)院物理(li)研(yan)究所(suo)/北京凝聚態物理(li)國家實(shi)(shi)(shi)驗(yan)室(shi)（籌）固(gu)態量(liang)(liang)子信息與計算(suan)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)室(shi)Q01組研(yan)究員(yuan)潘新宇團隊長期致力于氮(dan)空位中心的量(liang)(liang)子計算(suan)和(he)量(liang)(liang)子精(jing)密測量(liang)(liang)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)研(yan)究。*近，他(ta)(ta)(ta)們(men)和(he)香港中文(wen)大學(xue)(xue)教授劉(liu)仁保及博士后劉(liu)剛欽(qin)以及物理(li)所(suo)理(li)論室(shi)研(yan)究員(yuan)范桁合(he)作(zuo)，**性地提(ti)出并在(zai)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)上演示了(le)一種用動力學(xue)(xue)解(jie)耦脈沖(chong)來鎖(suo)定和(he)連續測量(liang)(liang)弱(ruo)耦合(he)13C核自旋(xuan)(xuan)狀態的方法，在(zai)室(shi)溫下(xia)觀測到單個(ge)(ge)弱(ruo)耦合(he)13C核自旋(xuan)(xuan)的量(liang)(liang)子跳變(bian)。他(ta)(ta)(ta)們(men)演示了(le)室(shi)溫下(xia)對金(jin)剛石里(li)弱(ruo)耦合(he)的13C核自旋(xuan)(xuan)單次讀(du)(du)出技(ji)術，這(zhe)項(xiang)技(ji)術填補(bu)了(le)該領域的空白。他(ta)(ta)(ta)們(men)成功地單次讀(du)(du)出了(le)一個(ge)(ge)耦合(he)強(qiang)度為330 kHz的13C核自旋(xuan)(xuan)，讀(du)(du)出時長為200 ms，保真度達到95.5%，這(zhe)個(ge)(ge)工作(zuo)為未(wei)來使用核自旋(xuan)(xuan)作(zuo)為量(liang)(liang)子計算(suan)的載體提(ti)供重要的技(ji)術支撐。
起(qi)源(yuan)于核磁共(gong)振的(de)(de)(de)(de)動力(li)(li)學解耦(ou)技術，在(zai)(zai)(zai)2010年被引入氮空位(wei)中(zhong)(zhong)心(xin)體系，起(qi)初只(zhi)是用來(lai)延(yan)長中(zhong)(zhong)心(xin)電子(zi)(zi)自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)相干時(shi)間。隨后的(de)(de)(de)(de)研(yan)究發現(xian)(xian)它(ta)可(ke)以(yi)**地定位(wei)和(he)操控近(jin)鄰(lin)核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)演化。在(zai)(zai)(zai)*近(jin)的(de)(de)(de)(de)這(zhe)(zhe)個工作中(zhong)(zhong)，他們提出(chu)用動力(li)(li)學解耦(ou)脈沖(chong)實(shi)現(xian)(xian)強度可(ke)控的(de)(de)(de)(de)量(liang)子(zi)(zi)測(ce)量(liang)。通過有選(xuan)擇(ze)性(xing)的(de)(de)(de)(de)連續弱測(ce)量(liang)，唯壹(yi)被選(xuan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)13C核自(zi)(zi)旋(xuan)會被鎖(suo)定在(zai)(zai)(zai)其本征態(tai)，這(zhe)(zhe)個狀態(tai)會反映在(zai)(zai)(zai)中(zhong)(zhong)心(xin)電子(zi)(zi)自(zi)(zi)旋(xuan)熒光強度上(shang)并(bing)被記錄。基(ji)于這(zhe)(zhe)種高(gao)靈敏(min)度和(he)高(gao)保真(zhen)度的(de)(de)(de)(de)探測(ce)手段(duan)，處在(zai)(zai)(zai)復雜(za)環境中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)弱耦(ou)合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)量(liang)子(zi)(zi)狀態(tai)跳變被成功觀(guan)測(ce)到(dao)。核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)單次讀出(chu)(single-shot readout)也(ye)變得(de)不再需要強磁場和(he)低溫(wen)等極端條(tiao)件(jian)。該(gai)方案大(da)大(da)提升了數量(liang)眾(zhong)多(duo)且相干性(xing)質極好的(de)(de)(de)(de)弱耦(ou)合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)的(de)(de)(de)(de)應用價值(zhi)，對室溫(wen)下多(duo)量(liang)子(zi)(zi)比特器件(jian)的(de)(de)(de)(de)構(gou)建具有重要意義。該(gai)工作已經發表在(zai)(zai)(zai)近(jin)期(qi)的(de)(de)(de)(de)《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上(shang)。
該工作獲得了科(ke)技部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科(ke)學(xue)基(ji)金委（11574386）、中科(ke)院(yuan)（XDB07010300）等項(xiang)目的(de)支持。
圖1 用(yong)動力學解(jie)耦脈沖(chong)實(shi)現的(de)可(ke)控量子測量，測量的(de)強度取(qu)決(jue)于(yu)脈沖(chong)數目，而(er)目標自旋(xuan)的(de)定(ding)位和選擇取(qu)決(jue)于(yu)脈沖(chong)的(de)間隔。這(zhe)個方案(an)尤其適用(yong)于(yu)氮空位中心近鄰(lin)弱耦合的(de)13C核自旋(xuan)的(de)讀出和測量。
圖(tu)2 氮空位中心(xin)近(jin)鄰13C核自(zi)旋(xuan)的共振掃(sao)描結果。共振13C核自(zi)旋(xuan)的存在會影響中心(xin)電子自(zi)旋(xuan)的相干(gan)性質，兩者糾纏度的大小(xiao)可(ke)以由脈(mo)沖數目控制。
圖(tu)3 室溫下(xia)單個13C核自旋量子跳(tiao)變的(de)實驗信號及保(bao)真度分(fen)析。其中(a)是實驗脈沖序列，(b)是典型的(de)量子跳(tiao)變信號，(c-d) 的(de)數據分(fen)析顯示單次讀出保(bao)真度為(wei)95.5%。
圖4 13C核(he)自(zi)(zi)旋量子態塌縮過程的數(shu)值模擬(ni)。結果顯示該(gai)方(fang)案(an)對(dui)實驗脈沖誤差和(he)共振(zhen)條件有(you)很(hen)好的適應(ying)度，連續的弱(ruo)測量會將13C核(he)自(zi)(zi)旋鎖定(ding)在其本征態上。
