量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)是(shi)構成(cheng)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)機(ji)(ji)的(de)(de)基(ji)本(ben)單元。在(zai)可(ke)能(neng)實現(xian)(xian)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)機(ji)(ji)的(de)(de)眾多候(hou)選者(zhe)中，金(jin)剛(gang)石(shi)氮空位(wei)中心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸(xi)引著越(yue)來越(yue)多研究者(zhe)。構成(cheng)金(jin)剛(gang)石(shi)晶體(ti)的(de)(de)主要成(cheng)分是(shi)沒有(you)核(he)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)的(de)(de)12C原子(zi)(zi)(zi)。這個純凈(jing)的(de)(de)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)環(huan)境讓氮空位(wei)中心量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)在(zai)室(shi)溫(wen)(wen)下仍(reng)然保持著極長(chang)的(de)(de)相干(gan)時間，是(shi)少數直接工作(zuo)在(zai)室(shi)溫(wen)(wen)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)之一。除了12C原子(zi)(zi)(zi)，金(jin)剛(gang)石(shi)中還有(you)1.1%的(de)(de)13C原子(zi)(zi)(zi)。它們隨機(ji)(ji)分布(bu)在(zai)金(jin)剛(gang)石(shi)晶體(ti)中，帶有(you)1/2的(de)(de)核(he)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)。這些核(he)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)具有(you)更長(chang)的(de)(de)壽(shou)命，也(ye)是(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)優(you)良(liang)載(zai)體(ti)。對量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)的(de)(de)單次讀出(chu)(single-shot readout)是(shi)可(ke)拓展的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)計算(suan)的(de)(de)非常(chang)重要的(de)(de)技術，金(jin)剛(gang)石(shi)里的(de)(de)核(he)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)由于(yu)其超(chao)長(chang)的(de)(de)退相干(gan)時間（室(shi)溫(wen)(wen)下可(ke)以到(dao)秒(miao)），是(shi)優(you)良(liang)的(de)(de)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)比(bi)特(te)及(ji)量(liang)(liang)子(zi)(zi)(zi)存儲(chu)器，但(dan)是(shi)通常(chang)情況(kuang)下核(he)自(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)都(dou)很難實現(xian)(xian)單次讀出(chu)。
量子力學的(de)(de)(de)基本原理告訴我們，對一個(ge)特定核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)進行測量的(de)(de)(de)結果只能是它(ta)(ta)的(de)(de)(de)兩個(ge)本征態之一。當(dang)連續多(duo)次(ci)觀(guan)(guan)(guan)(guan)測一個(ge)核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態時，就有可能看到它(ta)(ta)在不(bu)同本征態之間(jian)的(de)(de)(de)跳變(bian)。借(jie)助強磁場等極端條件(jian)，室(shi)溫下已經觀(guan)(guan)(guan)(guan)測到氮(dan)空位(wei)中心近鄰強耦合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)的(de)(de)(de)量子跳變(bian)現(xian)象。但是已有的(de)(de)(de)觀(guan)(guan)(guan)(guan)測方法并不(bu)適用(yong)于數(shu)目更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)弱耦合13C核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)，它(ta)(ta)們的(de)(de)(de)共振(zhen)頻率非常接近，很難(nan)實現(xian)只觀(guan)(guan)(guan)(guan)測其中一個(ge)而不(bu)影響其它(ta)(ta)核自(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態。
中國(guo)科學院物理(li)研究(jiu)所/北京凝聚態物理(li)國(guo)家實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)（籌(chou)）固(gu)態量(liang)子信息與計(ji)算實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)Q01組研究(jiu)員潘新宇團隊長期致力(li)于(yu)氮(dan)空位(wei)中心的量(liang)子計(ji)算和量(liang)子精密測量(liang)實(shi)驗(yan)(yan)研究(jiu)。*近，他們(men)和香港(gang)中文大學教授劉仁保及博士后劉剛欽以及物理(li)所理(li)論室(shi)研究(jiu)員范桁合作，**性(xing)地(di)提出(chu)(chu)并(bing)在實(shi)驗(yan)(yan)上演(yan)示(shi)了(le)(le)一種用(yong)(yong)動力(li)學解耦脈沖來鎖定和連續測量(liang)弱耦合13C核(he)(he)自旋(xuan)狀態的方(fang)法，在室(shi)溫下(xia)觀測到單(dan)(dan)個(ge)(ge)弱耦合13C核(he)(he)自旋(xuan)的量(liang)子跳變。他們(men)演(yan)示(shi)了(le)(le)室(shi)溫下(xia)對金剛石(shi)里弱耦合的13C核(he)(he)自旋(xuan)單(dan)(dan)次(ci)讀(du)出(chu)(chu)技術(shu)，這項(xiang)技術(shu)填補(bu)了(le)(le)該領域(yu)的空白(bai)。他們(men)成功地(di)單(dan)(dan)次(ci)讀(du)出(chu)(chu)了(le)(le)一個(ge)(ge)耦合強度為330 kHz的13C核(he)(he)自旋(xuan)，讀(du)出(chu)(chu)時長為200 ms，保真度達到95.5%，這個(ge)(ge)工作為未(wei)來使(shi)用(yong)(yong)核(he)(he)自旋(xuan)作為量(liang)子計(ji)算的載體提供重要(yao)的技術(shu)支撐。
起源(yuan)于(yu)核磁(ci)(ci)共振(zhen)的(de)(de)(de)動(dong)力學解耦技術，在(zai)(zai)2010年被引(yin)入氮空位中心(xin)(xin)體系，起初只(zhi)是用(yong)來延長中心(xin)(xin)電子自旋(xuan)的(de)(de)(de)相(xiang)干時間。隨后的(de)(de)(de)研究發(fa)現(xian)它可(ke)以(yi)**地定(ding)位和(he)操控(kong)近鄰核自旋(xuan)的(de)(de)(de)演(yan)化。在(zai)(zai)*近的(de)(de)(de)這個(ge)工作(zuo)中，他們提出用(yong)動(dong)力學解耦脈沖實現(xian)強(qiang)度(du)可(ke)控(kong)的(de)(de)(de)量(liang)(liang)子測(ce)量(liang)(liang)。通過有(you)選擇性的(de)(de)(de)連續弱(ruo)測(ce)量(liang)(liang)，唯壹被選中的(de)(de)(de)13C核自旋(xuan)會(hui)被鎖定(ding)在(zai)(zai)其本征態，這個(ge)狀(zhuang)態會(hui)反映在(zai)(zai)中心(xin)(xin)電子自旋(xuan)熒(ying)光強(qiang)度(du)上并被記錄。基于(yu)這種高靈敏度(du)和(he)高保(bao)真度(du)的(de)(de)(de)探測(ce)手段，處在(zai)(zai)復雜環境中的(de)(de)(de)弱(ruo)耦合13C核自旋(xuan)量(liang)(liang)子狀(zhuang)態跳變被成功觀(guan)測(ce)到。核自旋(xuan)的(de)(de)(de)單次讀出(single-shot readout)也(ye)變得不再需要強(qiang)磁(ci)(ci)場(chang)和(he)低溫等極端(duan)條件(jian)。該方(fang)案大大提升了數量(liang)(liang)眾多且相(xiang)干性質(zhi)極好的(de)(de)(de)弱(ruo)耦合13C核自旋(xuan)的(de)(de)(de)應用(yong)價值(zhi)，對(dui)室溫下多量(liang)(liang)子比(bi)特(te)器件(jian)的(de)(de)(de)構建具(ju)有(you)重(zhong)要意義。該工作(zuo)已經發(fa)表在(zai)(zai)近期的(de)(de)(de)《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上。
該工作獲得了科(ke)(ke)技部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科(ke)(ke)學基金委（11574386）、中(zhong)科(ke)(ke)院(yuan)（XDB07010300）等項目的支持。
圖1 用(yong)動力學解(jie)耦脈(mo)(mo)沖(chong)實(shi)現的可控量子測量，測量的強度取(qu)決于脈(mo)(mo)沖(chong)數目，而目標自旋的定位(wei)和選擇取(qu)決于脈(mo)(mo)沖(chong)的間隔。這個方(fang)案尤其適用(yong)于氮空位(wei)中心近鄰弱耦合的13C核(he)自旋的讀出和測量。
圖(tu)2 氮空位中(zhong)心近鄰(lin)13C核自(zi)旋的(de)(de)(de)共(gong)振掃描結果。共(gong)振13C核自(zi)旋的(de)(de)(de)存(cun)在會影(ying)響(xiang)中(zhong)心電子自(zi)旋的(de)(de)(de)相干性質，兩者糾纏度的(de)(de)(de)大小可以(yi)由(you)脈(mo)沖數目控制。
圖(tu)3 室溫下單(dan)個(ge)13C核自旋量子跳(tiao)變(bian)的實(shi)驗信號及(ji)保真(zhen)度分析。其中(a)是實(shi)驗脈(mo)沖序列，(b)是典型的量子跳(tiao)變(bian)信號，(c-d) 的數據分析顯示單(dan)次讀出保真(zhen)度為(wei)95.5%。
圖4 13C核自旋(xuan)(xuan)量子態塌縮過程(cheng)的數值模擬。結果顯示該方案對(dui)實驗(yan)脈(mo)沖誤差和(he)共振(zhen)條件有很好的適應度，連續的弱測量會將(jiang)13C核自旋(xuan)(xuan)鎖定在其本(ben)征(zheng)態上。
