物理所合作发现室温下金刚石里弱耦合核自旋的量子跳变

　　量子比特是构成量子计算机的基本单元。在可能实现量子计算机的众多候选者中，金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引着越来越多研究者。构成金刚石晶体的主要成分是没有核自旋的12C原子。这个纯净的自旋环境让氮空位中心量子比特在室温下仍然保持着极长的相干时间，是少数直接工作在室温的量子比特之一。除了12C原子，金刚石中还有1.1%的13C原子。它们随机分布在金刚石晶体中，带有1/2的核自旋。这些核自旋具有更长的寿命，也是量子比特的优秀载体。对量子比特的单次读出(single-shot readout)是可拓展的量子计算的非常重要的技术，金刚石里的核自旋由于其超长的退相干时间（室温下可以到秒），是优秀的量子比特及量子存储器，但是通常情况下核自旋都很难实现单次读出。

　　量子力学的基本原理告诉我们，对一个特定核自旋进行测量的结果只能是它的两个本征态之一。当连续多次观测一个核自旋的状态时，就有可能看到它在不同本征态之间的跳变。借助强磁场等极端条件，室温下已经观测到氮空位中心近邻强耦合13C核自旋的量子跳变现象。但是已有的观测方法并不适用于数目更多的弱耦合13C核自旋，它们的共振频率非常接近，很难实现只观测其中一个而不影响其它核自旋的状态。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）固态量子信息与计算实验室Q01组研究员潘新宇团队长期致力于氮空位中心的量子计算和量子精密测量实验研究。最近，他们和香港中文大学教授刘仁保及博士后刘刚钦以及物理所理论室研究员范桁合作，创新性地提出并在实验上演示了一种用动力学解耦脉冲来锁定和连续测量弱耦合13C核自旋状态的方法，在室温下观测到单个弱耦合13C核自旋的量子跳变。他们演示了室温下对金刚石里弱耦合的13C核自旋单次读出技术，这项技术填补了该领域的空白。他们成功地单次读出了一个耦合强度为330 kHz的13C核自旋，读出时长为200 ms，保真度达到95.5%，这个工作为未来使用核自旋作为量子计算的载体提供重要的技术支撑。

　　起源于核磁共振的动力学解耦技术，在2010年被引入氮空位中心体系，起初只是用来延长中心电子自旋的相干时间。随后的研究发现它可以精确地定位和操控近邻核自旋的演化。在最近的这个工作中，他们提出用动力学解耦脉冲实现强度可控的量子测量。通过有选择性的连续弱测量，唯一被选中的13C核自旋会被锁定在其本征态，这个状态会反映在中心电子自旋荧光强度上并被记录。基于这种高灵敏度和高保真度的探测手段，处在复杂环境中的弱耦合13C核自旋量子状态跳变被成功观测到。核自旋的单次读出(single-shot readout)也变得不再需要强磁场和低温等极端条件。该方案大大提升了数量众多且相干性质极好的弱耦合13C核自旋的应用价值，对室温下多量子比特器件的构建具有重要意义。该工作已经发表在近期的《物理评论快报》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上。

　　该工作获得了科技部（2014CB921402，2015CB921103）、国家自然科学基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等项目的支持。

图1 用动力学解耦脉冲实现的可控量子测量，测量的强度取决于脉冲数目，而目标自旋的定位和选择取决于脉冲的间隔。这个方案尤其适用于氮空位中心近邻弱耦合的13C核自旋的读出和测量。

图2 氮空位中心近邻13C核自旋的共振扫描结果。共振13C核自旋的存在会影响中心电子自旋的相干性质，两者纠缠度的大小可以由脉冲数目控制。

图3 室温下单个13C核自旋量子跳变的实验信号及保真度分析。其中(a)是实验脉冲序列，(b)是典型的量子跳变信号，(c-d) 的数据分析显示单次读出保真度为95.5%。

图4 13C核自旋量子态塌缩过程的数值模拟。结果显示该方案对实验脉冲误差和共振条件有很好的适应度，连续的弱测量会将13C核自旋锁定在其本征态上。