研究快讯 | 分子量子比特的自旋相干时间突破到毫秒量级

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 31 December 2020; 

online 6 February 2021

EXPRESS LETTER

Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond

Yingqiu Dai (代映秋), Yue Fu (伏月), Zhifu Shi (石致富), Xi Qin (秦熙), Shiwei Mu (穆世伟), Yang Wu (伍旸), Ji-Hu Su (苏吉虎), Yi-Fei Deng (邓义飞), Lei Qin (秦雷), Yuan-Qi Zhai (翟沅琦), Yan-Zhen Zheng (郑彦臻), Xing Rong (荣星), and Jiangfeng Du (杜江峰)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (3): 030303

文章亮点

首次将分子量子比特的相干时间延长到1毫秒，单比特品质因子达到1.4×10⁵，具备容错量子计算潜力，同时保留了环境中的核自旋，使其可以作为潜在的资源应用到量子计算中。

分子量子比特的自旋相干时间突破到毫秒量级

研究背景

分子量子比特由磁性分子中的电子自旋构成，是实现量子计算的重要候选者之一。它相对于其他量子体系，具有以下优势：分子量子比特可以很容易地通过化学方法对其结构进行调整，从而以规则阵列的形式沉积在表面上便于进行寻址操作；分子量子比特的大小通常为纳米量级，适合实现局域操控并应用于量子精密测量中。然而，由于电子自旋与局域环境中其他自旋的相互作用，分子量子比特的相干时间受到限制。这也是将分子量子比特应用于实际量子计算中的主要障碍之一。研究者们提出了很多方法来抑制分子量子比特的退相干效应，例如将分子量子比特稀释在抗磁性的基质中、合成特殊的分子化合物来增强分子构型的刚性以及同位素纯化来构造没有核自旋的环境等。这些方法一方面限制了电子自旋周围的核自旋可进一步被利用为量子计算资源的潜力，另一方面也没有将分子量子比特的相干时间推进到毫秒量级。

内容简介

中国科学技术大学杜江峰教授的研究团队首次将分子量子比特的相干时间延长到1毫秒。该工作采用动力学去耦的方法，通过施加微波脉冲不断的翻转电子自旋，从而有效的平均掉电子自旋与环境之间的耦合，达到抑制退相干的目的。随着微波脉冲个数的不断增加，分子量子比特的相干时间不断被延长。当脉冲个数为2048时，相干时间达到1.4(2) ms，是以往相同分子所报道相干时间的20倍。单量子比特品质因子，即相干时间与单比特操控时间的比值，达到1.4×10⁵，远超容错量子计算所提出的品质因子高于1×10⁴的要求。另外，动力学去耦方法并不需要改变电子自旋周围的环境，保留了环境中的核自旋，使其可以作为潜在的资源应用到量子计算中。

研究意义和重要性

该研究将分子量子比特的相干时间突破到毫秒量级，为其进一步的应用扫清了障碍。不仅向分子量子比特应用于量子计算领域踏出了坚实的一步，而且还使其可以应用于磁性生物医学成像和量子精密测量等领域。

图1. 动力学去耦方法延长分子量子比特相干时间的实验结果。上：分子结构图；中：在不同的微波脉冲个数情况下，随着演化时间增长，分子量子比特的相干衰减，通过对包络的拟合可以得到相干时间；下：随着微波脉冲个数的增加，分子量子比特相干时间的延长。

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