量子比特是構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)的基本單元。在可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)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(gòu)成金剛石晶體的主要成分是沒有核自旋的12C原子。這個(gè)純凈的自旋環(huán)境讓氮空位中心量子比特在室溫下仍然保持著極長(zhǎng)的相干時(shí)間，是少數(shù)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(jī)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(zhǎng)的壽命，也是量子比特的優(yōu)良載體。對(duì)量子比特的單次讀出(single-shot readout)是可拓展的量子計(jì)算的非常重要的技術(shù)，金剛石里的核自旋由于其超長(zhǎng)的退相干時(shí)間（室溫下可以到秒），是優(yōu)良的量子比特及量子存儲(chǔ)器，但是通常情況下核自旋都很難實(shí)現(xiàn)單次讀出。
量子力學(xué)的基本原理告訴我們，對(duì)一個(gè)特定核自旋進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果只能是它的兩個(gè)本征態(tài)之一。當(dāng)連續(xù)多次觀測(cè)一個(gè)核自旋的狀態(tài)時(shí)，就有可能看到它在不同本征態(tài)之間的跳變。借助強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件，室溫下已經(jīng)觀測(cè)到氮空位中心近鄰強(qiáng)耦合13C核自旋的量子跳變現(xiàn)象。但是已有的觀測(cè)方法并不適用于數(shù)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(shí)現(xiàn)只觀測(cè)其中一個(gè)而不影響其它核自旋的狀態(tài)。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室Q01組研究員潘新宇團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于氮空位中心的量子計(jì)算和量子精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究。*近，他們和香港中文大學(xué)教授劉仁保及博士后劉剛欽以及物理所理論室研究員范桁合作，**性地提出并在實(shí)驗(yàn)上演示了一種用動(dòng)力學(xué)解耦脈沖來鎖定和連續(xù)測(cè)量弱耦合13C核自旋狀態(tài)的方法，在室溫下觀測(cè)到單個(gè)弱耦合13C核自旋的量子跳變。他們演示了室溫下對(duì)金剛石里弱耦合的13C核自旋單次讀出技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。他們成功地單次讀出了一個(gè)耦合強(qiáng)度為330 kHz的13C核自旋，讀出時(shí)長(zhǎng)為200 ms，保真度達(dá)到95.5%，這個(gè)工作為未來使用核自旋作為量子計(jì)算的載體提供重要的技術(shù)支撐。
起源于核磁共振的動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)，在2010年被引入氮空位中心體系，起初只是用來延長(zhǎng)中心電子自旋的相干時(shí)間。隨后的研究發(fā)現(xiàn)它可以**地定位和操控近鄰核自旋的演化。在*近的這個(gè)工作中，他們提出用動(dòng)力學(xué)解耦脈沖實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度可控的量子測(cè)量。通過有選擇性的連續(xù)弱測(cè)量，唯壹被選中的13C核自旋會(huì)被鎖定在其本征態(tài)，這個(gè)狀態(tài)會(huì)反映在中心電子自旋熒光強(qiáng)度上并被記錄。基于這種高靈敏度和高保真度的探測(cè)手段，處在復(fù)雜環(huán)境中的弱耦合13C核自旋量子狀態(tài)跳變被成功觀測(cè)到。核自旋的單次讀出(single-shot readout)也變得不再需要強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫等極端條件。該方案大大提升了數(shù)量眾多且相干性質(zhì)極好的弱耦合13C核自旋的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)室溫下多量子比特器件的構(gòu)建具有重要意義。該工作已經(jīng)發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上。
該工作獲得了科技部（2014CB921402，2015CB921103）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等項(xiàng)目的支持。
圖1 用動(dòng)力學(xué)解耦脈沖實(shí)現(xiàn)的可控量子測(cè)量，測(cè)量的強(qiáng)度取決于脈沖數(shù)目，而目標(biāo)自旋的定位和選擇取決于脈沖的間隔。這個(gè)方案尤其適用于氮空位中心近鄰弱耦合的13C核自旋的讀出和測(cè)量。
圖2 氮空位中心近鄰13C核自旋的共振掃描結(jié)果。共振13C核自旋的存在會(huì)影響中心電子自旋的相干性質(zhì)，兩者糾纏度的大小可以由脈沖數(shù)目控制。
圖3 室溫下單個(gè)13C核自旋量子跳變的實(shí)驗(yàn)信號(hào)及保真度分析。其中(a)是實(shí)驗(yàn)脈沖序列，(b)是典型的量子跳變信號(hào)，(c-d) 的數(shù)據(jù)分析顯示單次讀出保真度為95.5%。
圖4 13C核自旋量子態(tài)塌縮過程的數(shù)值模擬。結(jié)果顯示該方案對(duì)實(shí)驗(yàn)脈沖誤差和共振條件有很好的適應(yīng)度，連續(xù)的弱測(cè)量會(huì)將13C核自旋鎖定在其本征態(tài)上。
