量子比特是構(gòu)成量子計算機的基本單元。在可能實現(xiàn)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(gòu)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(huán)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(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(yōu)良載體。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(shù)，金剛石里的核自旋由于其超長的退相干時間（室溫下可以到秒），是優(yōu)良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(xiàn)單次讀出。
量子力學(xué)的基本原理告訴我們，對一個特定核自旋進(jìn)行測量的結(jié)果只能是它的兩個本征態(tài)之一。當(dāng)連續(xù)多次觀測一個核自旋的狀態(tài)時，就有可能看到它在不同本征態(tài)之間的跳變。借助強磁場等極端條件，室溫下已經(jīng)觀測到氮空位中心近鄰強耦合13C核自旋的量子跳變現(xiàn)象。但是已有的觀測方法并不適用于數(shù)目更多的弱耦合13C核自旋，它們的共振頻率非常接近，很難實現(xiàn)只觀測其中一個而不影響其它核自旋的狀態(tài)。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）固態(tài)量子信息與計算實驗室Q01組研究員潘新宇團(tuán)隊長期致力于氮空位中心的量子計算和量子精密測量實驗研究。*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，**性地提出并在實驗上演示了一種用動力學(xué)解耦脈沖來鎖定和連續(xù)測量弱耦合13C核自旋狀態(tài)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(shù)，這項技術(shù)填補了該領(lǐng)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(dá)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(shù)支撐。
起源于核磁共振的動力學(xué)解耦技術(shù)，在2010年被引入氮空位中心體系，起初只是用來延長中心電子自旋的相干時間。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*近的這個工作中，他們提出用動力學(xué)解耦脈沖實現(xiàn)強度可控的量子測量。通過有選擇性的連續(xù)弱測量，唯壹被選中的13C核自旋會被鎖定在其本征態(tài)，這個狀態(tài)會反映在中心電子自旋熒光強度上并被記錄?；谶@種高靈敏度和高保真度的探測手段，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(shù)量眾多且相干性質(zhì)極好的弱耦合13C核自旋的應(yīng)用價值，對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《物理評論快報》（Physical Review Letters 118, 150504 (2017)）上。
該工作獲得了科技部（2014CB921402，2015CB921103）、國家自然科學(xué)基金委（11574386）、中科院（XDB07010300）等項目的支持。
圖1 用動力學(xué)解耦脈沖實現(xiàn)的可控量子測量，測量的強度取決于脈沖數(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)是實驗脈沖序列，(b)是典型的量子跳變信號，(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)果顯示該方案對實驗脈沖誤差和共振條件有很好的適應(yīng)度，連續(xù)的弱測量會將13C核自旋鎖定在其本征態(tài)上。
