《自然物理学》重磅：固态核自旋首次突破秒级相干时间

量子计算作为下一代信息处理技术，依赖于量子比特来存储和处理信息。理想的量子比特必须具备两个核心特性：可控性和相干性。可控性要求能够精确地初始化、操作和读取量子态；而相干性则指量子态维持其叠加特性的能力，通常以相干时间（T₂）来衡量。在任何计算完成之前，量子比特必须保持相干。对于复杂的量子算法和容错量子计算，长相干时间是决定其可行性和规模扩展能力的关键瓶标。

在众多量子计算平台中，固态系统因其潜在的可扩展性而受到广泛关注，但其相干时间往往受限于嘈杂的固体环境。发表在《自然物理学》题为《Individual solid-state nuclear spin qubits with coherence exceeding seconds》（相干时间超过秒的单个固态核自旋量子比特）的论文，通过利用核自旋作为量子比特，在固体环境中实现了秒级的相干时间，标志着固态量子计算领域的一项重大技术突破。

平台选择：天然的量子存储器

该研究的核心创新在于对量子比特载体和环境的选择。

1. 磷酸钙钨酸盐 (CaWO₄) 晶体和¹⁸³W核自旋

核自旋是自然界中隔离性最好的量子系统之一。由于原子核被电子壳层屏蔽，其磁矩比电子磁矩小约三到四个数量级，因此与周围环境（如晶格振动或电子自旋浴）的耦合极弱。这种弱耦合机制使其成为长期量子存储的理想选择。

这篇论文选择将单个¹⁸³W核自旋作为主量子比特。CaWO₄晶体是一种低缺陷、低核磁背景的材料，提供了一个相对“安静”的环境。W原子核的自旋为I= 1/2，是一个完美的二能级量子比特。

2. Er³+电子自旋：量子中介

尽管核自旋具有出色的相干性，但其弱耦合特性也带来了巨大的挑战：难以直接操控和读出。为了解决这个问题，研究人员引入了铒离子Er³+作为辅助量子比特和量子接口。

Er³+离子在CaWO₄晶体中取代了Ca²+位点。它的电子自旋与¹⁸³W核自旋通过超精细相互作用紧密耦合。电子自旋的磁矩大得多，能够更有效地与外部微波场和读出电路进行交互。Er³+电子自旋充当了核自旋与外界控制系统之间的“桥梁”：

• 初始化： 利用电子自旋将核自旋初始化到特定状态。
• 操控： 通过电子自旋间接驱动核自旋操作。
• 读出： 通过测量电子自旋的状态来推断核自旋的状态。

关键技术突破：单次读出与微波操控

要实现功能强大的量子比特，不仅需要长相干性，更需要高保真度的操控和读出。

1. 量子非破坏性单次读出

研究人员将Er³+电子自旋耦合到一个超导谐振器上，并在稀释制冷机中的10mK极低温环境下工作。他们利用Er³+电子自旋对谐振器频率的依赖性（分散耦合）来实现读出。当核自旋状态发生变化时，它会微调Er³+电子自旋的能级，进而改变谐振器的共振频率。通过高灵敏度的微波光子计数，系统能够：

• 单次读出 ：在单次实验中确定核自旋的状态。
• 量子非破坏性：读出过程对核自旋状态的扰动极小，理论上可以进行重复测量。这种读出技术在固态核自旋体系中是至关重要的进步。

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

核自旋的直接共振频率（Larmor 频率）非常低，且驱动功率需求高，难以进行快速、高保真的操作。该论文引入了一种巧妙的受激拉曼驱动方案。

利用Er³+电子自旋的能级作为中间态，研究人员设计了两个微波脉冲，间接地驱动核自旋的跃迁。这种拉曼方案的优势在于：

• 速度： 操作速度可以远快于直接核磁共振驱动。
• 保真度： 采用全微波脉冲，避免了射频脉冲在超导电路中的集成困难。

基于此，研究人员实现了毫秒级时间的单量子比特门和双量子比特门操作，并展示了对退相干具有保护作用的 Bell 态制备，保真度达到88%。

核心成果：秒级相干时间

该论文最令人振奋的成果是核自旋量子比特相干时间的测定。研究人员对两个不同的¹⁸³W核自旋量子比特进行了塞科斯基-梅耶（Carr-Purcell-Meiboom-Gill, CPMG）序列测量。结果显示：

• 核自旋#1的相干时间T₂达到了3.4(4)s。
• 核自旋#2的相干时间T₂达到了4.4(6)s。

相干时间突破秒级在固态单量子比特领域具有里程碑意义。这使得 ¹⁸³W核自旋的T₂值，足以与一些高真空环境中的量子比特（如囚禁离子）相媲美。这一成就强有力地证明了核自旋作为量子存储器在固态系统中的巨大潜力。

结论与展望

这篇论文成功地展示了一个功能完备的固态量子计算平台：它将长寿命的核自旋（量子存储器）与快速可控的电子自旋（量子接口）结合起来，实现了固态量子比特的单次读出、微波操控和秒级相干。

这项研究不仅是量子比特性能上的巨大飞跃，也为可扩展的量子架构奠定了基础。通过集成更多的Er³+离子和¹⁸³W核自旋，可以构建一个基于超导电路的可扩展量子处理器阵列。未来，这类核自旋系统有望成为混合量子平台中的长寿命量子内存，与超导电路、光子等其他高速、易耦合的量子系统协同工作，共同推动容错量子计算时代的到来。