《自然物理學》重磅：固態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，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。可控性要求能夠精確地初始化、操作和讀取量子態；而相干性則指量子態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模擴展能力的關鍵瓶標。

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

平臺選擇：天然的量子存儲器

該研究的核心創新在于對量子比特載體和環境的選擇。

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量級，因此與周圍環境（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：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。
• 操控： 通過電子自旋間接驅動核自旋操作。
• 讀出： 通過測量電子自旋的狀態來推斷核自旋的狀態。

關鍵技術突破：單次讀出與微波操控

要實現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諧振器上，并在稀釋制冷機中的10mK極低溫環境下工作。他們利用Er3+電子自旋對諧振器頻率的依賴性（分散耦合）來實現讀出。當核自旋狀態發生變化時，它會微調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，系統能夠：

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

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動方案。

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

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

基于此，研究人員實現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單量子比特領域具有里程碑意義。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系統中的巨大潛力。

結論與展望

這篇論文成功地展示了一個功能完備的固態量子計算平臺：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）結合起來，實現了固態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奠定了基礎。通過集成更多的Er3+離子和1?3W核自旋，可以構建一個基于超導電路的可擴展量子處理器陣列。未來，這類核自旋系統有望成為混合量子平臺中的長壽命量子內存，與超導電路、光子等其他高速、易耦合的量子系統協同工作，共同推動容錯量子計算時代的到來。