科大基于自旋量子計算與弱磁信號靈敏探測研究獲進展

　　中國科學技術大學教授杜江峰研究組經過三年多努力，搭建了一系列具有國際領先水平的光探測磁共振實驗平臺，開展基于摻雜金剛石單自旋的量子計算與弱磁信號靈敏探測等前沿科學研究，取得了一系列進展。相關成果發表在2014年《自然》、《自然 ? 物理》和《物理評論快報》上。

　　精確操控量子比特是量子計算的核心問題之一。對于電子自旋量子比特而言，核自旋熱庫噪聲和驅動場噪聲使得實現精確操控極具挑戰性。杜江峰研究組利用兩種新穎的方法，有效抑制了這兩種噪聲，實現了對單電子自旋的精確操控，相關成果發表在1月9日和2月7日的《物理評論快報》上。此外，杜江峰與德國斯圖加特大學合作，實驗實現了固態自旋體系中的量子糾錯，該工作發表在1月29日的《自然》上。這些成果對未來量子計算實用化以及靈敏探測具有重要意義。

　　電子自旋會感受到周圍環境中的核自旋熱庫噪聲。這種磁場漲落噪聲對電子自旋的影響不僅表現為破壞量子態，而且會極大制約操控量子系統的品質。杜江峰研究組的榮星等發揮磁共振領域中脈沖操控優勢，將一種用于對抗梯度磁場漲落噪聲的動力學糾錯邏輯門，拓展為抑制更為普遍的磁場漲落噪聲。實驗結果表明外磁場噪聲被有效地抑制到六階，量子相干時間被延長至690±40微秒，這比自由感應衰減時間長了兩個數量級，也遠遠超過了普通脈沖控制下量子相干時間，達到了T1rho(660±80微秒)極限。該工作首次成功將對電子自旋的精確操控水平突破T2極限，推進到了T1水平，極大延長了可對電子自旋量子比特的進行操控的時間，使得更為復雜精確的操控成為可能，從而為基于電子自旋的量子計算及靈敏探測提供了關鍵技術。[Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)]

　　此外操控電子自旋的驅動場也會引入額外的噪聲。當環境中自旋熱庫噪聲被有效抑制之后，驅動場噪聲將成為制約操控品質的一個重要因素。杜江峰研究組的周經緯等利用快速的微波頻率調制，首次實驗實現時域上超過100次的Landau-Zener(LZ)隧穿，并且觀測到多次隧穿形成的一種新型拉比振蕩現象。理論與實驗結果表明，這種新型的拉比振蕩可以有效抑制驅動場引入的噪聲，從而為實現精確操控提供了一種嶄新的手段。該工作將不僅有助于深入理解與LZ隧穿和拉比振蕩相關的重要物理過程，而且對于量子控制技術在量子計算、生物化學等領域的應用具有重要價值。[Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)]

　　量子糾錯也是一種可以有效對抗噪聲的方案，而且是實現容錯量子計算的關鍵。杜江峰與德國斯圖加特大學合作，將核磁共振中的最優控制方法拓展到光探測磁共振，實現了一個電子自旋和三個核自旋構成的復雜量子系統的高精度操控，從而實現了固態自旋體系中量子糾錯。這項工作為基于固態自旋體系的量子計算實用化打下了基礎。[Nature advance online publication 29 January 2014. doi:10.1038/nature.12919 ]

　　精確的量子操控和有效抑制環境噪聲還對弱信號的靈敏檢測意義重大。杜江峰研究組的石發展等利用摻雜金剛石中氮-空位固態單電子自旋量子干涉儀，把微觀自旋體系產生的弱磁信號轉為干涉儀的相位，并利用多脈沖動力學解耦技術和外加磁場來有效抑制環境噪聲，成功實現了室溫大氣環境下單核自旋對的探測及其原子尺度的結構分析。該工作表明動力學解耦技術結合單自旋探針是單分子結構解析和譜學分析的有力工具，可幫助我們在納米甚至原子尺度獲取物質組成和結構信息，為物理生物等各領域開展微觀研究提供新的方法。[Nature Physics 10, 21 (2014)]

　　杜江峰研究組的這些工作把對自旋量子體系的操控能力提升到了一個新的水平，而且這些工作中發展出來的方法可被應用到多種重要量子比特體系，譬如量子點、離子阱、超導量子比特等。因此這些進展為量子計算、弱磁信號靈敏探測等前沿領域打下了堅實基礎。

　　上述研究得到了國家基金委、科技部、中國科學院的支持。