沒有花前月下，只有量子學(xué)霸，科研界CP發(fā)糖，仍是如此齁甜！近日，國際學(xué)術(shù)媒體《Physics World》產(chǎn)業(yè)版編輯Margaret Harris發(fā)出推文，“爆料”了一對(duì)來自中國的“量子俠侶”——代映秋和石致富博士。原來，這對(duì)CP最近分別以第一、第三作者的身份發(fā)布了一項(xiàng)重要的科研成果——基于國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100的觀測(cè)結(jié)果，將量子比特的相干時(shí)間提高至1.4毫秒，量子比特的品質(zhì)因數(shù)提升了40倍。

Margaret Harris在推文里調(diào)侃，希望這對(duì)couple“相干超過一毫秒”

自主高端科學(xué)儀器發(fā)力，“量子俠侶”海外圈粉

近日，《Physics World》編輯Isabelle Dumé以《Molecular qubits stick around for longer》為題，報(bào)道了中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在分子量子比特研究方向上的最新科研成果。這一重大突破以《Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond》為題，在權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《Chinese Physics Letters》進(jìn)行了發(fā)表，在海內(nèi)外學(xué)術(shù)圈引發(fā)廣泛關(guān)注。

值得一提的是，中國科技大學(xué)博士研究生代映秋作為論文第一作者，實(shí)驗(yàn)過程中所用到的X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100正是她未婚夫石致富博士主要參與設(shè)計(jì)的。原來學(xué)術(shù)界秀恩愛的門檻都這么高嗎？這也太甜了吧！

代映秋、石致富博士正在使用EPR100進(jìn)行科學(xué)研究

“在研究過程中，自主研制的X波段脈沖式電子順磁共振譜儀起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的商用科學(xué)儀器，受到放大器的相位穩(wěn)定性、最大脈沖個(gè)數(shù)等參數(shù)的影響，不能滿足實(shí)驗(yàn)方案的需求。于是科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室已有的EPR譜儀技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，自主研制完成任意序列發(fā)生器、微波脈沖放大器等部件，完成全新的、符合實(shí)驗(yàn)要求的X波段脈沖電子順磁共振譜儀。最終儀器可以生成10000個(gè)以上、精度為50ps的高精度脈沖序列，產(chǎn)生高相位穩(wěn)定性、高強(qiáng)度的微波脈沖作用到量子比特上，最終完成該工作。”石致富博士表示。

EPR100是中國首款商用電子順磁共振譜儀，儀器研發(fā)技術(shù)是源自于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。石致富博士透露，去年他求婚的時(shí)候，代映秋說要等到她博士畢業(yè)，現(xiàn)在這篇論文發(fā)表之后，她距離撥穗時(shí)刻大大拉近了。

延長相干時(shí)間，量子科技將獲更廣泛應(yīng)用

近年來，量子計(jì)算已經(jīng)成為一種革命性技術(shù)，利用量子的疊加和糾纏特性，量子計(jì)算機(jī)在一些特定的科學(xué)問題上，只需要短短幾秒就可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾年都無法完成的計(jì)算任，并且量子比特的相干時(shí)間越長，量子計(jì)算的性能就越強(qiáng)。然而，量子體系處于環(huán)境中，不可避免地與振動(dòng)、溫度波動(dòng)、電磁波等環(huán)境產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致量子體系的相干信息向環(huán)境中流失（通常稱為“退相干”），破壞長時(shí)間的量子計(jì)算過程，極大地限制了復(fù)雜量子任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，困擾無數(shù)研究量子技術(shù)的科學(xué)家。因此，減小量子比特與環(huán)境之間的相互作用所引起的退相干至關(guān)重要。

據(jù)了解，目前用作量子比特的常見候選體系有光學(xué)系統(tǒng)、超導(dǎo)、離子陷、固體材料缺陷和量子點(diǎn)等。磁性分子的電子自旋是一種新興的量子計(jì)算體系，與其他體系相比，該量子比特可以通過化學(xué)合成的方法較為輕易地調(diào)控、修飾分子結(jié)構(gòu)，且可以大量合成，規(guī)則排布以創(chuàng)建量子線路也相對(duì)容易。

然而，和其他的量子比特一樣，該量子比特的疊加態(tài)也很脆弱。雖然科學(xué)家們已經(jīng)采用抗磁化合物稀釋、合成時(shí)增強(qiáng)分子的剛性、各向同性純化等方法來減小環(huán)境噪聲對(duì)磁性分子量子比特相干的影響，但是目前為止，此類分子量子比特的相干時(shí)間也未超過1ms。

X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100

為了延長相干時(shí)間，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將過渡金屬配位化合物（PPh4）2［Cu（mnt）2］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上，應(yīng)用微波脈沖對(duì)分子量子比特的量子態(tài)進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)”，在特定的時(shí)間內(nèi)平均掉特定的耦合產(chǎn)生的效果。他們的研究使得該量子比特的相干時(shí)間從6.8 μs延長到1.4 ms，這個(gè)時(shí)間理論上可以支持14.5萬次基本邏輯運(yùn)算。而被稱作量子比特的“品質(zhì)因數(shù)（即相干時(shí)間與操控時(shí)間之比）”，比之前報(bào)告的數(shù)值提升了40倍。

論文截圖

據(jù)代映秋介紹，該工作采用微波脈沖序列操控的方法與傳統(tǒng)的方法相比，不需要對(duì)分子進(jìn)行特殊的修飾，保留了其他自旋作為量子比特資源被利用的可能性。

這項(xiàng)研究成果意義重大，不僅可以極大地提高量子計(jì)算的能力，在磁性生物醫(yī)學(xué)成像和量子傳感領(lǐng)域也可以得到廣泛應(yīng)用。

期待這一研究成果未來可以走進(jìn)尋常百姓家，讓人們的生活更加美好而便捷。也希望代映秋、石致富博士這對(duì)“量子俠侶”能夠“糾纏不放手，相干到白頭”，帶著共同的奮斗目標(biāo)成就量子科技研究領(lǐng)域的一段佳話。

《Chinese Physics Letters》論文鏈接：http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/38/3/030303

《Physics world》報(bào)道鏈接：https://physicsworld.com/a/molecular-qubits-stick-around-for-longer