基于自旋的量子计算与弱磁信号灵敏探测取得重要进展

我校杜江峰教授研究组经过三年多努力,搭建了一系列具有国际领先水平的光探测磁共
振实验平台,开展基于掺杂金刚石单自旋的量子计算与弱磁信号灵敏探测等前沿科学研
究,取得了一系列重要的进展。相关成果发表在2014年《自然》、《自然 • 物
理》和《物理评论快报》上。
精确操控量子比特是量子计算的核心问题之一。对于电子自旋量子比特而言,核自
旋热库噪声和驱动场噪声使得实现精确操控极具挑战性。杜江峰教授研究组利用两种新
颖的方法,有效抑制了这两种噪声,实现了对单电子自旋的精确操控,相关成果发表在
1月9日和2月7日的《物理评论快报》上。此外,杜江峰教授与德国斯图加特大学合作,
实验实现了固态自旋体系中的量子纠错,该工作发表在1月29日的《自然》上。这些成
果对未来量子计算实用化以及灵敏探测具有重要意义。
电子自旋会感受到周围环境中的核自旋热库噪声。这种磁场涨落噪声对电子自旋的
影响不仅表现为破坏量子态,而且会极大制约操控量子系统的品质。杜江峰研究组荣星
等发挥磁共振领域中脉冲操控优势,将一种用于对抗梯度磁场涨落噪声的动力学纠错逻
辑门,拓展为抑制更为普遍的磁场涨落噪声。实验结果表明外磁场噪声被有效地抑制到
六阶,量子相干时间被延长至690±40微秒,这比自由感应衰减时间长了两个数量级,
也远远超过了普通脉冲控制下量子相干时间,达到了T1rho(660±80微秒)极限。该工
作首次成功将对电子自旋的精确操控水平突破T2极限,推进到了T1水平,极大延长了可
对电子自旋量子比特的进行操控的时间,使得更为复杂精确的操控成为可能,从而为基
于电子自旋的量子计算及灵敏探测提供了关键技术。[Phys. Rev. Lett. 112, 050503
(2014)]
此外操控电子自旋的驱动场也会引入额外的噪声。当环境中自旋热库噪声被有效抑
制之后,驱动场噪声将成为制约操控品质的一个重要因素。杜江峰研究组周经纬等利用
快速的微波频率调制,首次实验实现时域上超过100 次的Landau-Zener (LZ)隧穿,并
且观测到多次隧穿形成的一种新型拉比振荡现象。理论与实验结果表明,这种新型的拉
比振荡可以有效抑制驱动场引入的噪声,从而为实现精确操控提供了一种崭新的手段。
该工作不仅将有助于深入理解与LZ隧穿和拉比振荡相关的重要物理过程,而且对于量子
控制技术在量子计算、生物化学等领域的应用具有重要的价值。[Phys. Rev. Lett.
112, 010503 (2014)]
量子纠错也是一种可以有效对抗噪声的方案,而且是实现容错量子计算的关键。杜
江峰教授与德国斯图加特大学合作,将核磁共振中的最优控制方法拓展到光探测磁共振
,实现了一个电子自旋和三个核自旋构成的复杂量子系统的高精度操控,从而实现了固
态自旋体系中量子纠错。这项工作为基于固态自旋体系的量子计算实用化打下了坚实的
基础。[Nature advance online publication 29 January 2014. doi:10.1038/
nature12919 ]
精确的量子操控和有效抑制环境噪声还对弱信号的灵敏检测意义重大。杜江峰研究
组石发展等利用掺杂金刚石中氮-空位固态单电子自旋量子干涉仪,把微观自旋体系产
生的弱磁信号转为干涉仪的相位,并利用多脉冲动力学解耦技术和外加磁场来有效抑制
环境噪声,成功实现了室温大气环境下单核自旋对的探测及其原子尺度的结构分析。该
工作表明动力学解耦技术结合单自旋探针是单分子结构解析和谱学分析的有力工具,可
帮助我们在纳米甚至原子尺度获取物质组成和结构信息,为物理生物等各领域开展微观
研究提供新的方法。[Nature Physics 10, 21 (2014)]

俺觉得杜江峰的学术成就应超过潘建伟。
Wrachtrup的开创性单自旋探测有可能获诺奖。

他们两各有千秋吧。两个人都正值壮年,成就还远远没有到尽头呢。
但是杜江峰作为一个纯土博更为难得就是了。

如果可以操控电子自旋,根据quantum entanglement,岂不是可以实现超光速通讯。
有人可以展开说一说吗?

潘建伟他们正在做的量子通信就是做这些事情吧?
不过有人说他们的这种通信其实不能真的超过光速,因为要读出来的时候需要一个原始
态的数据需要通过传统渠道来传输。

我看过不少有关Quantum Entanglement的文章。Quantum Entanglement 不能用于
faster than light (FTL) communication的原因是:
“quantum state can not be affected, it is just result of observation".
如果可以操控电子自旋,岂不是affect quantum state.

some explanation on why FTL is impossible.
Collapsing an entangled pair occurs instantaneously but can never be used to
transmit information faster than light. If you have an entangled pair of
particles, A and B, making a measurement on some entangled property of A
will give you a random result and B will have the complementary result. The
key point is that you have no control over the state of A, and once you make
a measurement you lose entanglement. You can infer the state of B anywhere
in the universe by noting that it must be complementary to A.
The no-cloning theorem stops you from employing any sneaky tricks like
making a bunch of copies of B and checking if they all have the same state
or a mix of states, which would otherwise allow you to send information
faster than light by choosing to collapse the entangled state or not.

我不是这方面的专家,但是在我的理解中,至少把量子态进行初始化是可以做到的。
把信息超光速传播没问题,但是要把信息读出来必须需要知道初始值,而这个初始值必
须用传统途径来传输。

杜江峰好像是土博。干得真不错。

像杜江峰,段路明这样的所谓“土博”,没有借助什么平台,基本上是凭一己之力打出
一片天下,更加令人佩服。

做物理的做得像样,基本都得“凭一己之力”吧。潘建伟也一样凭一己之力。