中國量子科研CP達(dá)到毫秒級的“必殺技”

古有神雕俠侶，今有 “量子俠侶”！

近日，Physics World 曝光了一對中國 “量子科研 CP”—— 石致富和代映秋。

其中，Physics World 編輯 Margaret Harris 還發(fā)推文表示，“希望這對 couple ‘相干超過一毫秒’”。

這對“量子俠侶”都是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的 90 后物理博士生，他們既是戀人、也是同事。

最近還以 CP 身份完成一項研究，并以論文形式發(fā)表在《中國物理快報》上，論文標(biāo)題為《超過一毫秒的分子量子位的自旋相干的實驗保護》（Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond）。

從 6.8 微秒 延長到 1.4 毫秒

本次研究的主要成果是，讓該量子比特的相干時間，從 6.8 微秒 延長到 1.4 毫秒，從理論上能支持 14.5 萬次基本邏輯運算，量子比特的 “品質(zhì)因數(shù)” 也比此前報道數(shù)值提升了 40 倍。

40 倍能帶來哪些好處？

代映秋表示，相干時間是量子比特的基礎(chǔ)，也是量子計算比較重要的七個判斷標(biāo)準(zhǔn)之一，本次的 “14.5 萬次” 基本和目前較為熱門的體系持平，也證明了分子量子比特是一個很有潛力的量子計算候選體系。

此外，量子比特的 “品質(zhì)因數(shù)”， 直接決定該體系是否有潛力實現(xiàn)將來量子計算的復(fù)雜運算，以領(lǐng)域內(nèi)比較經(jīng)典的超導(dǎo)研究為例，其 “品質(zhì)因數(shù)” 是 8.5 萬次，離子阱數(shù)據(jù)則是 14 萬次。

概括來說，本次研究實現(xiàn)的自旋相干性，是分子量子位在量子信息處理中的關(guān)鍵步驟，并且非常具有挑戰(zhàn)性。

達(dá)到毫秒級的 “必殺技”：使用微波脈沖序列操控方法

研究中，石致富和代映秋把微波脈沖序列操控的方法，用在他們自己的磁性分子量子比特體系上。

相比傳統(tǒng)方法，該方法無需對分子進(jìn)行特殊修飾，因此可保留其豐富的量子比特資源被利用的可能性。

圖 | 4 階 CPMG 動力學(xué)去偶序列得到的回波衰減圖（來源：Physics World）

之前，多是化學(xué)領(lǐng)域、或分子合成領(lǐng)域的學(xué)者在研究磁性分子，他們最想實現(xiàn)的是控制電子自旋周圍的一些噪聲。

通常在壓制噪聲上，化學(xué)領(lǐng)域?qū)W者會采用化學(xué)合成法，然后去改進(jìn)它的分子結(jié)構(gòu)，并減少周圍一些核自旋帶來的噪聲。

但對于物理學(xué)者來說，周圍核自旋也非常稀缺，要做量子計算肯定不能只用一個量子比特，他們肯定希望周圍有相互作用的自旋比特。

故此，使用微波脈沖序列操控的方法，可實現(xiàn)自身分子結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)改變。如果不用微波脈沖序列操控的方法，只能用其他化學(xué)合成方法，也很難達(dá)到超過毫秒級的相干時間。

為延長相干時間，他們將過渡金屬配位化合物的電子自旋作為量子比特，在 X 波段脈沖式電子順磁共振譜儀 EPR100（下稱 EPR100）上使用微波脈沖序列，對分子量子比特的量子態(tài)進(jìn)行 “翻轉(zhuǎn)”，最終實現(xiàn)在特定時間內(nèi)、平均掉特定耦合產(chǎn)生的效果。

圖 | 不同階數(shù)的動力學(xué)去偶序列得到的相干時間譜圖（來源 ：Physics World）

關(guān)于這里的 “翻轉(zhuǎn)”，代映秋解釋稱，傳統(tǒng)比特是 0101 的狀態(tài)，量子比特的狀態(tài)除了 0 態(tài)和 1 態(tài)，還有一些疊加態(tài)，而疊加態(tài)的改變就叫 “翻轉(zhuǎn)”。

在物理里面的布洛赫球體模型中，從 0 態(tài)到 1 態(tài)的 “翻轉(zhuǎn)”，相當(dāng)于從球體上面的南極到了北極，這樣就叫一次態(tài)的 180° 的 “翻轉(zhuǎn)”。

可在不影響身體機能下，做新磁成像治腦病

據(jù)悉，該研究成果可提高量子比特退相干時間，在量子傳感領(lǐng)域和磁性生物醫(yī)學(xué)成像可得到廣泛應(yīng)用。

代映秋表示，在研究量子比特過程中，除把它用作量子計算以外，基本所有量子比特都在朝更廣泛的應(yīng)用方向發(fā)展。

具體來說，磁性生物醫(yī)學(xué)成像是比較經(jīng)典的應(yīng)用，此前已有學(xué)者做出核磁體系的腦成像。

此外，心磁成像也是一個熱門應(yīng)用，物理學(xué)家和醫(yī)學(xué)家都想在不影響患者身體機能的情況下，對心腦疾病進(jìn)行研究。

而國儀量子也在開展微觀量子傳感技術(shù)的研發(fā)，比較核心的產(chǎn)品是基于金剛石的 NV 色心的精密量子測量儀器，可以測量單個分子、或單個蛋白等微觀結(jié)構(gòu)也可做地磁、電網(wǎng)電流檢測的磁場探索。

工欲善其事，必先利其器

該研究始于 2015 年，立項原因是因為他們認(rèn)為分子磁體是一個非常好的量子比特，并且此前物理領(lǐng)域內(nèi)鮮有研究。而且，磁性分子中的電子自旋，已成為另一種量子位的可能性，與其他物理系統(tǒng)相比，這些分子量子位具有多個優(yōu)點。

具體來說，分子磁體的能級結(jié)構(gòu)比較豐富，不像傳統(tǒng)單個電子，可能只有兩能級，能級結(jié)構(gòu)比較單一；而且，磁性分子的能級更豐富，因此也能做更復(fù)雜的量子計算研究。

啟動研究之時，他們實驗室也有一臺商用儀器，但是發(fā)現(xiàn)首先其脈沖個數(shù)無法滿足實驗要求，其次相位穩(wěn)定性也不夠。

就在初始儀器上做出的結(jié)論來說，也不甚理想，當(dāng)時他們把在儀器理想狀態(tài)下做出的數(shù)據(jù)，做以測試和分析后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果中有錯誤，原因正由上述儀器導(dǎo)致。

后來，他們倆開始自制儀器并進(jìn)行逐步改進(jìn)，最終在 EPR100 上順利完成本次研究。

研究中用到的 EPR100，主要由石致富參與設(shè)計，也是中國首臺商用的 X 波段脈沖式電子順磁共振譜儀，對本次研究起著基礎(chǔ)支撐作用。

為實現(xiàn)商用，石致富帶領(lǐng)國儀量子的工程師，對 EPR100 的原理機做了兩處改進(jìn)：

第一，改進(jìn)了之前購買的進(jìn)口商用譜儀的微波射頻，改進(jìn)后脈沖個數(shù)比商用譜儀更多，脈沖穩(wěn)定性、微波功率等硬指標(biāo)都比商用譜儀更高。

第二，科研實驗經(jīng)常要做創(chuàng)造性方案，使用商業(yè)譜儀有時會受到限制，因此科研人員有時不得不自己去開發(fā)軟件。為此，石致富特意提升了軟件穩(wěn)定性，并將其集成到 EPR100 上。

相比進(jìn)口產(chǎn)品，EPR100 從跟跑到并跑，目前一些指標(biāo)上已經(jīng)能做到領(lǐng)跑，也已成為清華大學(xué)、中國科學(xué)院青藏高原研究所等科研院所的研發(fā) “利器”。2019 年 11 月，清華大學(xué)向該公司贈送的錦旗寫道：“解決了卡脖子問題，為我國儀器之表率”。

EPR100 除應(yīng)用于科研之外，還可用于食品等工業(yè)領(lǐng)域。

以啤酒中啤酒花的光降解為例，大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)，是通過作為中間產(chǎn)物的自由基進(jìn)行的。

例如，在釀造過程中使用的啤酒花含有活性成分的混合物，其中部分具有光敏性。這會讓啤酒在受到光照后，形成自由基、并和硫化合物做結(jié)合，最終給啤酒帶來不愉快的味道和氣味。

而電子順磁共振譜儀正是它們的克星，因為電子順磁共振技術(shù)是目前唯一可以直接探測自由基的技術(shù)。啤酒在灌裝之前，經(jīng)過電子順磁共振譜儀的 “體檢”， 便可保證口感的清冽。

實際上，EPR100 譜儀也已成為國內(nèi)外企業(yè)科研平臺的常規(guī)設(shè)備儀器，食品、食用油、煙草及化妝品等行業(yè)的質(zhì)控和檢測都有它的身影。

相識于實驗室，稱 “并無太多風(fēng)花雪月”

據(jù)悉，石致富已于 2019 年加入國儀量子，目前擔(dān)任磁共振業(yè)務(wù)線副總監(jiān) ，代映秋則正在該公司實習(xí)，前者博士已經(jīng)畢業(yè)，后者將于 2021 年下半年畢業(yè)。

畢業(yè)后，代映秋希望成為一名優(yōu)秀的應(yīng)用工程師，把 EPR100 的應(yīng)用開發(fā)做得更好，成為工程師和科學(xué)家之間的橋梁。

她說：“比如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，我希望盡可能收集和反饋這個科研方向?qū)ψV儀的需求，結(jié)合自身在磁共振領(lǐng)域的知識儲備，幫助科學(xué)家們用好這一技術(shù)，產(chǎn)出更多、更好的科研成果?！?/p>

談及在高校和在公司做科研的區(qū)別，石致富表示，校園科研更多是從 0 到 1 闖入知識的無人區(qū)，更重視先進(jìn)性、創(chuàng)造性；而公司研發(fā)則更重視實用性、穩(wěn)定性、可維護性。

石致富是山西人，生于 1990 年，比生于云南的代映秋大兩歲，他們此前是中科大同一個實驗室、同一個導(dǎo)師下面的師兄和師妹。

該校有一個傳統(tǒng)，讀到大三就要進(jìn)入實驗室，做一些小的科研項目。等到代映秋大四做畢業(yè)設(shè)計時，石致富正在讀研一，進(jìn)入實驗室的代映秋也因此結(jié)識對方。

實驗室里并沒有太多風(fēng)花雪月，石致富說研一、研二時比較年輕，一天十幾個小時都泡在實驗室，因為天天做實驗待一起，也就像量子比特一樣 “糾纏” 了起來。

90 后已經(jīng)進(jìn)入而立之年，也正在成為科研界的主力軍之一，愛情屬于他們，科研更屬于他們。

原文標(biāo)題：中國科大90后“量子俠侶”把量子比特相干時間從微秒延長至毫秒級！有望用于磁性醫(yī)學(xué)成像 | 專訪

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