中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰研究組經(jīng)過(guò)三年多努力，搭建了一系列具有國(guó)際領(lǐng)先水平的光探測(cè)磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展基于摻雜金剛石單自旋的量子計(jì)算與弱磁信號(hào)靈敏探測(cè)等前沿科學(xué)研究，取得了一系列進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在2014年《自然》、《自然 ? 物理》和《物理評(píng)論快報(bào)》上。

精確操控量子比特是量子計(jì)算的核心問(wèn)題之一。對(duì)于電子自旋量子比特而言，核自旋熱庫(kù)噪聲和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)噪聲使得實(shí)現(xiàn)精確操控極具挑戰(zhàn)性。杜江峰研究組利用兩種新穎的方法，有效抑制了這兩種噪聲，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單電子自旋的精確操控，相關(guān)成果發(fā)表在1月9日和2月7日的《物理評(píng)論快報(bào)》上。此外，杜江峰與德國(guó)斯圖加特大學(xué)合作，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了固態(tài)自旋體系中的量子糾錯(cuò)，該工作發(fā)表在1月29日的《自然》上。這些成果對(duì)未來(lái)量子計(jì)算實(shí)用化以及靈敏探測(cè)具有重要意義。

電子自旋會(huì)感受到周圍環(huán)境中的核自旋熱庫(kù)噪聲。這種磁場(chǎng)漲落噪聲對(duì)電子自旋的影響不僅表現(xiàn)為破壞量子態(tài)，而且會(huì)極大制約操控量子系統(tǒng)的品質(zhì)。杜江峰研究組的榮星等發(fā)揮磁共振領(lǐng)域中脈沖操控優(yōu)勢(shì)，將一種用于對(duì)抗梯度磁場(chǎng)漲落噪聲的動(dòng)力學(xué)糾錯(cuò)邏輯門，拓展為抑制更為普遍的磁場(chǎng)漲落噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明外磁場(chǎng)噪聲被有效地抑制到六階，量子相干時(shí)間被延長(zhǎng)至690±40微秒，這比自由感應(yīng)衰減時(shí)間長(zhǎng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通脈沖控制下量子相干時(shí)間，達(dá)到了T1rho（660±80微秒）極限。該工作首次成功將對(duì)電子自旋的精確操控水平突破T2極限，推進(jìn)到了T1水平，極大延長(zhǎng)了可對(duì)電子自旋量子比特的進(jìn)行操控的時(shí)間，使得更為復(fù)雜精確的操控成為可能，從而為基于電子自旋的量子計(jì)算及靈敏探測(cè)提供了關(guān)鍵技術(shù)。[Phys. Rev. Lett. 112, 050503 (2014)] 

此外操控電子自旋的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)也會(huì)引入額外的噪聲。當(dāng)環(huán)境中自旋熱庫(kù)噪聲被有效抑制之后，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)噪聲將成為制約操控品質(zhì)的一個(gè)重要因素。杜江峰研究組的周經(jīng)緯等利用快速的微波頻率調(diào)制，首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)時(shí)域上超過(guò)100次的Landau-Zener(LZ)隧穿，并且觀測(cè)到多次隧穿形成的一種新型拉比振蕩現(xiàn)象。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型的拉比振蕩可以有效抑制驅(qū)動(dòng)場(chǎng)引入的噪聲，從而為實(shí)現(xiàn)精確操控提供了一種嶄新的手段。該工作將不僅有助于深入理解與LZ隧穿和拉比振蕩相關(guān)的重要物理過(guò)程，而且對(duì)于量子控制技術(shù)在量子計(jì)算、生物化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。[Phys. Rev. Lett. 112, 010503 (2014)]

量子糾錯(cuò)也是一種可以有效對(duì)抗噪聲的方案，而且是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的關(guān)鍵。杜江峰與德國(guó)斯圖加特大學(xué)合作，將核磁共振中的最優(yōu)控制方法拓展到光探測(cè)磁共振，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電子自旋和三個(gè)核自旋構(gòu)成的復(fù)雜量子系統(tǒng)的高精度操控，從而實(shí)現(xiàn)了固態(tài)自旋體系中量子糾錯(cuò)。這項(xiàng)工作為基于固態(tài)自旋體系的量子計(jì)算實(shí)用化打下了基礎(chǔ)。[Nature advance online publication 29 January 2014. doi:10.1038/nature.12919 ] 

精確的量子操控和有效抑制環(huán)境噪聲還對(duì)弱信號(hào)的靈敏檢測(cè)意義重大。杜江峰研究組的石發(fā)展等利用摻雜金剛石中氮-空位固態(tài)單電子自旋量子干涉儀，把微觀自旋體系產(chǎn)生的弱磁信號(hào)轉(zhuǎn)為干涉儀的相位，并利用多脈沖動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)和外加磁場(chǎng)來(lái)有效抑制環(huán)境噪聲，成功實(shí)現(xiàn)了室溫大氣環(huán)境下單核自旋對(duì)的探測(cè)及其原子尺度的結(jié)構(gòu)分析。該工作表明動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)結(jié)合單自旋探針是單分子結(jié)構(gòu)解析和譜學(xué)分析的有力工具，可幫助我們?cè)诩{米甚至原子尺度獲取物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)信息，為物理生物等各領(lǐng)域開(kāi)展微觀研究提供新的方法。[Nature Physics 10, 21 (2014)] 

杜江峰研究組的這些工作把對(duì)自旋量子體系的操控能力提升到了一個(gè)新的水平，而且這些工作中發(fā)展出來(lái)的方法可被應(yīng)用到多種重要量子比特體系，譬如量子點(diǎn)、離子阱、超導(dǎo)量子比特等。因此這些進(jìn)展為量子計(jì)算、弱磁信號(hào)靈敏探測(cè)等前沿領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

上述研究得到了國(guó)家基金委、科技部、中國(guó)科學(xué)院的支持。