《自然物理學(xué)》重磅：固態(tài)核自旋首次突破秒級相干時間

量子計算作為下一代信息處理技術(shù)，依賴于量子比特來存儲和處理信息。理想的量子比特必須具備兩個核心特性：可控性和相干性?？煽匦砸竽軌蚓_地初始化、操作和讀取量子態(tài)；而相干性則指量子態(tài)維持其疊加特性的能力，通常以相干時間（T?）來衡量。在任何計算完成之前，量子比特必須保持相干。對于復(fù)雜的量子算法和容錯量子計算，長相干時間是決定其可行性和規(guī)模擴展能力的關(guān)鍵瓶標。

在眾多量子計算平臺中，固態(tài)系統(tǒng)因其潛在的可擴展性而受到廣泛關(guān)注，但其相干時間往往受限于嘈雜的固體環(huán)境。發(fā)表在《自然物理學(xué)》題為《Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds》（相干時間超過秒的單個固態(tài)核自旋量子比特）的論文，通過利用核自旋作為量子比特，在固體環(huán)境中實現(xiàn)了秒級的相干時間，標志著固態(tài)量子計算領(lǐng)域的一項重大技術(shù)突破。

平臺選擇：天然的量子存儲器

該研究的核心創(chuàng)新在于對量子比特載體和環(huán)境的選擇。

1. 磷酸鈣鎢酸鹽 (CaWO?) 晶體和1?3W核自旋

核自旋是自然界中隔離性最好的量子系統(tǒng)之一。由于原子核被電子殼層屏蔽，其磁矩比電子磁矩小約三到四個數(shù)量級，因此與周圍環(huán)境（如晶格振動或電子自旋浴）的耦合極弱。這種弱耦合機制使其成為長期量子存儲的理想選擇。

這篇論文選擇將單個1?3W核自旋作為主量子比特。CaWO?晶體是一種低缺陷、低核磁背景的材料，提供了一個相對“安靜”的環(huán)境。W原子核的自旋為I= 1/2，是一個完美的二能級量子比特。

2. Er3+電子自旋：量子中介

盡管核自旋具有出色的相干性，但其弱耦合特性也帶來了巨大的挑戰(zhàn)：難以直接操控和讀出。為了解決這個問題，研究人員引入了鉺離子Er3+作為輔助量子比特和量子接口。

Er3+離子在CaWO?晶體中取代了Ca2+位點。它的電子自旋與1?3W核自旋通過超精細相互作用緊密耦合。電子自旋的磁矩大得多，能夠更有效地與外部微波場和讀出電路進行交互。Er3+電子自旋充當了核自旋與外界控制系統(tǒng)之間的“橋梁”：

• 初始化： 利用電子自旋將核自旋初始化到特定狀態(tài)。
• 操控： 通過電子自旋間接驅(qū)動核自旋操作。
• 讀出： 通過測量電子自旋的狀態(tài)來推斷核自旋的狀態(tài)。

關(guān)鍵技術(shù)突破：單次讀出與微波操控

要實現(xiàn)功能強大的量子比特，不僅需要長相干性，更需要高保真度的操控和讀出。

1. 量子非破壞性單次讀出

研究人員將Er3+電子自旋耦合到一個超導(dǎo)諧振器上，并在稀釋制冷機中的10mK極低溫環(huán)境下工作。他們利用Er3+電子自旋對諧振器頻率的依賴性（分散耦合）來實現(xiàn)讀出。當核自旋狀態(tài)發(fā)生變化時，它會微調(diào)Er3+電子自旋的能級，進而改變諧振器的共振頻率。通過高靈敏度的微波光子計數(shù)，系統(tǒng)能夠：

• 單次讀出 ：在單次實驗中確定核自旋的狀態(tài)。
• 量子非破壞性：讀出過程對核自旋狀態(tài)的擾動極小，理論上可以進行重復(fù)測量。這種讀出技術(shù)在固態(tài)核自旋體系中是至關(guān)重要的進步。

2. 全微波受激拉曼操控 (All-Microwave Stimulated Raman Control)

核自旋的直接共振頻率（Larmor 頻率）非常低，且驅(qū)動功率需求高，難以進行快速、高保真的操作。該論文引入了一種巧妙的受激拉曼驅(qū)動方案。

利用Er3+電子自旋的能級作為中間態(tài)，研究人員設(shè)計了兩個微波脈沖，間接地驅(qū)動核自旋的躍遷。這種拉曼方案的優(yōu)勢在于：

• 速度： 操作速度可以遠快于直接核磁共振驅(qū)動。
• 保真度： 采用全微波脈沖，避免了射頻脈沖在超導(dǎo)電路中的集成困難。

基于此，研究人員實現(xiàn)了毫秒級時間的單量子比特門和雙量子比特門操作，并展示了對退相干具有保護作用的 Bell 態(tài)制備，保真度達到88%。

核心成果：秒級相干時間

該論文最令人振奮的成果是核自旋量子比特相干時間的測定。研究人員對兩個不同的1?3W核自旋量子比特進行了塞科斯基-梅耶（Carr-Purcell-Meiboom-Gill, CPMG）序列測量。結(jié)果顯示：

• 核自旋#1的相干時間T?達到了3.4(4)s。
• 核自旋#2的相干時間T?達到了4.4(6)s。

相干時間突破秒級在固態(tài)單量子比特領(lǐng)域具有里程碑意義。這使得 1?3W核自旋的T?值，足以與一些高真空環(huán)境中的量子比特（如囚禁離子）相媲美。這一成就強有力地證明了核自旋作為量子存儲器在固態(tài)系統(tǒng)中的巨大潛力。

結(jié)論與展望

這篇論文成功地展示了一個功能完備的固態(tài)量子計算平臺：它將長壽命的核自旋（量子存儲器）與快速可控的電子自旋（量子接口）結(jié)合起來，實現(xiàn)了固態(tài)量子比特的單次讀出、微波操控和秒級相干。

這項研究不僅是量子比特性能上的巨大飛躍，也為可擴展的量子架構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。通過集成更多的Er3+離子和1?3W核自旋，可以構(gòu)建一個基于超導(dǎo)電路的可擴展量子處理器陣列。未來，這類核自旋系統(tǒng)有望成為混合量子平臺中的長壽命量子內(nèi)存，與超導(dǎo)電路、光子等其他高速、易耦合的量子系統(tǒng)協(xié)同工作，共同推動容錯量子計算時代的到來。