固态量子计算中退相干研究获进展

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授领导的研究小组和香港中文大学刘仁保教授合作，在金刚石N-V空位色心构成的单电子自旋体系中观测到了反常退相干现象。反常退相干现象的存在显示出电子自旋周围环境的量子特性以及可控制性。相关工作发表在《自然—通讯》杂志上。该实验结果在利用量子噪声进行量子信息处理方面迈出了重要的一步。由于环境会对量子系统发生耦合干扰，使得系统的相干性不可避免地流失。这已在量子信息处理极为重要的效应，被称为退相干。根据经典的噪声理论，环境给电子自旋带来的影响被视作经典的随机涨落。根据这一经典模型可以得出如下结论：噪声越强，系统的退相干越快。这一模型已经成功地解释了各种体系中的退相干过程。但是上述经典模型是基于以下假设：环境的尺度相比于中心自旋足够大，这样来自中心自旋对于环境的反作用是可以忽略的。然而随着当代量子科学的发展，相对于中心自旋体系，外界环境的尺度已经越来越小。在这种情况下，必须要采用基于量子力学的模型来处理退相干效应。刘仁保教授等人的理论计算预言，在周围含有大量核自旋的单电子自旋体系中，退相干现象不能用经典噪声理论解释。杜江峰教授研究组利用金刚石超纯样品中的N-V空位色心构成的三能级体系，研究其退相干现象。在这一体系中，中心电子自旋和周围的数百个碳十三核自旋相互耦合。而|1> 和|-1>叠加态（二阶相干项）和环境的耦合强度是两倍于|1> 和|0>叠加态（一阶相干项）与环境的耦合。在常温下，由于核自旋的随机朝向带来的热涨落会导致系统很强的退相干效应。此时这一退相干过程是经典的。为了看到非经典的退相干过程，研究人员利用动力学解耦技术消除经典噪声。随后观察到的现象令人惊奇：随着动力学解耦阶数的增加，二阶相干项的相干时间比一阶相干项增长得更快，最后二阶项的相干时间超过了一阶项。在未使用任何拟合参数的情况下，理论数值模拟得到数据和实验数据符合得非常好。实验观测到的反常量子退相干现象表明了电子自旋周围碳十三核自旋噪声的量子特性。由于核自旋噪声和中心自旋相互作用的存在，在利用动力学去耦技术翻转中心电子自旋时，核自旋也被相干地控制了。这一研究表明，微观尺度的外界环境所表现出来的量子特性，并非是一种无用的噪声，而是可以用来进行量子信息处理的有用资源。