室溫下金剛石里弱耦合核自旋的量子跳變

量子比特是構成量子計算機的基本單元。在可能實現量子計算機的眾多候選者中，金剛石氮空位中心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引著越來越多研究者。

構成金剛石晶體的主要成分是沒有核自旋的12C原子，這個純凈的自旋環境讓氮空位中心量子比特在室溫下仍然保持著極長的相干時間，是少數直接工作在室溫的量子比特之一。除了12C原子，金剛石中還有1.1%的13C原子。它們隨機分布在金剛石晶體中，帶有1/2的核自旋。這些核自旋具有更長的壽命，也是量子比特的優秀載體。

對量子比特的單次讀出(single-shot readout)是可拓展的量子計算的非常重要的技術，金剛石里的核自旋由於其超長的退相干時間（室溫下可以到秒）是優秀的量子比特及量子存儲器，但是通常情況下核自旋都很難實現單次讀出。

量子力學的基本原理告訴我們，對一個特定核自旋進行測量的結果只能是它的兩個本徵態之一。當我們連續多次觀測一個核自旋的狀態時，就有可能看到它在不同本徵態之間的跳變。藉助強磁場等極端條件，室溫下已經觀測到氮空位中心近鄰強耦合13C核自旋的量子跳變現象。但是已有的觀測方法並不適用於數目更多的弱耦合13C核自旋，它們的共振頻率非常接近，很難實現只觀測其中一個而不影響其它核自旋的狀態。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）固態量子信息與計算實驗室Q01組潘新宇研究員團隊長期致力於氮空位中心的量子計算和量子精密測量實驗研究。

最近，他們和香港中文大學劉仁保教授及博士後劉剛欽以及物理所理論室范桁研究員合作，創新性地提出並在實驗上演示了一種用動力學解耦脈衝來鎖定和連續測量弱耦合13C核自旋狀態的方法，在室溫下觀測到單個弱耦合13C核自旋的量子跳變。他們演示了室溫下對金剛石里弱耦合的13C核自旋單次讀出技術，這項技術填補了該領域的空白。他們成功地單次讀出了一個耦合強度為330 kHz的13C核自旋，讀出時長為200 ms，保真度達到95.5%，這個工作為未來使用核自旋作為量子計算的載體提供重要的技術支撐。

起源於核磁共振的動力學解耦技術，在2010年被引入氮空位中心體系，起初只是用來延長中心電子自旋的相干時間。隨後的研究發現它可以精確地定位和操控近鄰核自旋的演化。

在最近的這個工作中，他們提出用動力學解耦脈衝實現強度可控的量子測量。通過有選擇性的連續弱測量，唯一被選中的13C核自旋會被鎖定在其本徵態，這個狀態會反映在中心電子自旋熒光強度上並被記錄。基於這種高靈敏度和高保真度的探測手段，處在複雜環境中的弱耦合13C核自旋量子狀態跳變被成功觀測到。核自旋的單次讀出(single-shot readout)也變得不再需要強磁場和低溫等極端條件。該方案大大提升了數量眾多且相干性質極好的弱耦合13C核自旋的應用價值，對室溫下多量子比特器件的構建具有重要意義。該工作已經發表在近期的Physical Review Letters 118, 150504 (2017)上。

圖1 用動力學解耦脈衝實現的可控量子測量，測量的強度取決於脈衝數目，而目標自旋的定位和選擇取決於脈衝的間隔。這個方案尤其適用於氮空位中心近鄰弱耦合的13C核自旋的讀出和測量。

圖2 氮空位中心近鄰13C核自旋的共振掃描結果。共振13C核自旋的存在會影響中心電子自旋的相干性質，兩者糾纏度的大小可以由脈衝數目控制。

圖3 室溫下單個13C核自旋量子跳變的實驗信號及保真度分析。其中(a)是實驗脈衝序列，(b)是典型的量子跳變信號; (c-d) 的數據分析顯示單次讀出保真度為95.5%。

圖4 13C核自旋量子態塌縮過程的數值模擬。結果顯示該方案對實驗脈衝誤差和共振條件有很好的適應度，連續的弱測量會將13C核自旋鎖定在其本徵態上。

編輯：huashan 來源：中科院物理所（cas-iop）

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