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基于核自旋的固态量子处理器

发布时间：2025-12-09 16:05:25 阅读数： 306

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顶部，一个Er³⁺缺陷自旋（红色）与超导集中元件的电感器（黄色）耦合。

量子计算机是利用量子力学效应处理信息的系统，在某些任务上具有超越经典计算机的潜力。与经典计算机将信息存储为比特不同，它们依赖于所谓的量子比特——这种信息单位能够同时处于0和1的叠加态。

巴黎萨克雷大学、香港中文大学等机构的研究人员开发出一种新型量子计算平台，该平台利用钨-183（183W）原子核的固有角动量（即自旋）作为量子比特。

该系统在《自然·物理》发表的论文中提出，经证实可实现长相干时间，并与现有超导量子信息处理平台兼容。

论文通讯作者埃马纽埃尔·弗鲁林向Phys.org表示：“数十年来，核磁共振技术（NMR和ESR）始终是物理、化学和生物学领域的主力军。”

"它也是最早用于验证基础量子计算协议的平台之一。然而传统形式的磁共振本质上属于宏观物理：其信号极其微弱，通常需要10¹⁵量级的原子集合才能检测到信号。"

研究中，弗鲁林团队致力于提升磁共振量子计算平台的灵敏度，以实现单原子级物理过程的观测，同时保持量子相干性。为此，他们将磁共振技术与超导材料相结合——后者以对电磁信号的高响应性著称。

弗鲁林指出：“本论文的核心目标是证明这种组合能有效实现量子版磁共振。具体而言，我们在兼容微波量子技术的芯片级设备中，实现了对固态单个核自旋的检测、控制与纠缠，其相干时间可达数秒。”

一种核-电子自旋混合平台

该研究团队提出的量子信息处理系统，可视为基于超导电路构建的、由量子力学驱动的超灵敏核磁共振谱仪。该系统依赖的量子比特源自钨酸钙（CaWO₄）晶体内的183W原子核磁共振核。

“每个核自旋都紧邻携带未成对电子自旋的稀土离子Er³⁺，”弗鲁林解释道，“电子自旋比核自旋更易操控和检测，因此充当核自旋的辅助器或放大器。”

研究人员将CaWO4晶体置于超导微波谐振器之上——该装置可存储微波光子（即光粒子）并用于操控量子态。该谐振器此前已在芯片上完成定向图案化。随后团队将整个装置置于稀释制冷机中，将其冷却至几毫开尔文。

弗鲁林解释道：“谐振器配合超高灵敏度微波探测器，使系统具备足够灵敏度，能够测量单个电子自旋的微弱磁信号——进而探测单个核自旋。”

"关键在于我们的方法仅依赖自旋的磁共振特性，无需额外光学跃迁（如NV中心）或特殊电学特性（如半导体施主）。这意味着数十年来核磁共振和电子自旋共振领域发展出的所有物种与技术，原则上均可直接移植到该平台。"

该团队新推出的量子计算平台相较于先前磁共振驱动系统具有多重优势。最显著的是，研究人员成功将系统磁共振灵敏度提升多个数量级，达到单核自旋水平。

弗鲁林指出：“由于量子比特采用核自旋实现，我们获得了秒级量级的超长相干时间。同时开发出通用适配方法，无需依赖特殊的光学或电学技巧。值得强调的是，我们基于芯片的全微波架构与现有超导量子处理器具有天然兼容性。”

团队系统的初步评估

为评估其拟议平台的潜力，研究人员实现了原型系统，并表征了系统中两个独立核自旋的相干性。

最终，他们实现了高保真单次读出，同时在两个核自旋之间实现了微波驱动的单量子位和双量子位门操作。

弗鲁林表示：“首先，我们证明固态设备可在单自旋层面上有效实现核磁共振/电子顺磁共振。我们展示的单个核自旋量子比特具有数秒级的相干时间，这将核磁共振的非凡稳定性引入了完全微观的单量子比特领域。”

在论文中，弗鲁林及其团队还提出了一种高灵敏度且无损的新型读出技术（即不破坏系统）。通过将Er³⁺原子中的电子自旋与超导谐振器耦合，并采用量子极限微波探测器，他们实现了对每个核自旋的单次量子非破坏测量。

弗鲁林解释道：“由于该读出机制纯粹基于磁性原理，理论上可适用于各类自旋物种，无需依赖光学荧光或传输测量。”

“我们还证明该平台满足量子计算的常规要求。仅通过微波信号，我们实现了核自旋间的单量子位与双量子位门操作，并生成相干性超过一秒的持久贝尔态。”

这项最新研究成果进一步凸显了基于核自旋的量子信息处理平台的潜力。研究人员成功将固态原子中的核自旋作为完全成熟的量子比特使用，而早期依赖大样本和伪纯态的核磁共振量子计算实验尚未实现这一突破。

未来应用与研究方向

这项最新研究有望为量子技术的发展开辟新路径，涵盖量子计算系统与传感设备两大领域。

弗鲁林指出：“一方面，未来研究可探索传感与光谱分析方向，使该设备成为量子磁共振显微镜，理论上能够探测单个分子并以超高光谱分辨率解析其结构。”

“由于我们研究的是单个自旋而非大尺度体系，因此不受多种微小环境平均化导致的'模糊化'效应限制。另一方面，我们也在推进量子计算方向的研究。”

研究人员证实，长寿命核自旋可在芯片量子计算架构中充当高度稳定的量子比特。在持续研究中，他们正致力于构建由多个小型核团簇组成的架构，这些团簇可存储量子数据。每个核团簇均与单个电子自旋辅助子耦合。

弗鲁林解释道：“该辅助子既能实现局部核团簇的单次读出，又能通过交换微波光子连接相邻核团簇。我们在此验证了单个核团簇的基本操作：对少量核自旋实现相干控制、二次长耦合及高保真读出。”

在后续研究中，弗鲁林及其团队计划基于新平台推进量子传感与计算系统的开发。在传感领域，他们期望成功运用该系统探测单个分子及更复杂的系统。

弗鲁林解释道：“在单自旋层面，理论上可获得比传统核磁共振更锐利的谱线特征——后者因集合平均和非均匀展宽效应往往会模糊精细细节。这有望实现具有量子极限分辨率的单分子磁共振光谱技术。”

该团队未来研究的第二目标是开发基于现有设计的更先进量子计算系统。为此，他们将持续增加系统中可控自旋数量并提升门保真度。

弗鲁林指出：“当前相干时间达秒级、门控时间达毫秒级，这为优化器件设计与控制协议提供了广阔空间，我们正着手利用核自旋寄存器实现小型量子算法或简单纠错码。”

值得强调的是，该研究平台完全基于磁共振原理驱动，不依赖材料的特定光学或电学特性。

弗鲁林及其团队最终计划探索其他类型自旋和材料在实现该系统中的潜力。此外，他们还将尝试在更大的超导电路架构中利用核自旋量子比特作为长寿命存储器或寄存器。

弗鲁林补充道：“对我们而言，一个重要的概念性观点是：在这个平台上，量子计算与量子传感之间存在着强烈的协同效应。”

"复杂的磁共振实验可以被视为量子电路：每个脉冲序列对应一组量子门，而测得的谱图则是量子算法的输出结果，该算法编码了分子的结构信息。我们的方法在单自旋层面上明确了这种联系。

“这意味着量子计算领域的突破——例如最优控制或误差抑制技术——能直接推动新一代分子光谱学发展；反之，核磁共振与电子自旋共振技术丰富的工具箱也能启发量子信息处理的新方法。”