近日，中國科學技術(shù)大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室杜江峰教授領(lǐng)導的研究小組和香港中文大學劉仁保教授合作，通過電子自旋共振實驗技術(shù)，在國際上首次通過固態(tài)體系實驗實現(xiàn)了最優(yōu)動力學解耦，極大地提高了電子自旋相干時間。該成果發(fā)表10月29日出版的國際權(quán)威雜志《自然》上。審稿人認為“該工作有效地保持了固態(tài)自旋比特的量子相干性，對固態(tài)自旋量子計算的真正實現(xiàn)具有極其重要的意義”。

同期《自然》的《新聞與展望》欄目還發(fā)表評述文章中指出：“量子系統(tǒng)不可避免的信息流失局限其現(xiàn)實的應用。然而杜江峰與其同事的研究表明，通過精巧的脈沖控制，使得固態(tài)體系環(huán)境對電子量子比特的不利影響被降到最小，從而大大減少了量子體系中量子信息的流失。他們所使用的量子相干調(diào)控技術(shù)被證明是一種可以幫助人們理解并且有效對抗量子信息流失的一個重要資源，取得的研究進展的重要性在于極大提升了現(xiàn)實物理體系的性能，從而朝實現(xiàn)量子計算邁出重要的一步。”

將量子力學和計算機科學結(jié)合并實現(xiàn)量子計算是人類的一大夢想。量子計算的本質(zhì)就是利用量子的相干性，而在現(xiàn)實中，由于環(huán)境不可避免地會對量子系統(tǒng)發(fā)生耦合干擾，使量子的相干性隨時間衰減，發(fā)生消相干，使得計算任務無法完成。因此，為了使量子計算成為現(xiàn)實，一個首要急需解決的問題就是克服消相干。

杜江峰教授介紹說，以分解500位的自然整數(shù)為例，目前最快的計算機需要用幾十億年才能完成，而用量子計算機，同樣的重復頻度，一分鐘就可以解決。但量子計算如同人類思考問題，也需要一定時間。其時間長短取決于量子的相干性，相干性保持時間越長，量子計算機就可以處理復雜程度更高、難度更大的信息，因此，提高量子相干性，對提高量子計算機的能力十分關(guān)鍵。

為了保持量子相干性，物理學家提出了很多種方法，其中，最優(yōu)動力學解耦是最有效的方法之一。杜江峰教授介紹說，最優(yōu)動力學解耦方法就是通過一串精心設(shè)計的微波脈沖直接作用于自旋電子，讓自旋電子反復翻轉(zhuǎn)，“感受”到的外力上下翻轉(zhuǎn)，消去電子自旋與環(huán)境中核自旋之間的耦合，保護電子自旋的量子相干性。

經(jīng)過多年努力，杜江峰研究小組在科技部、國家基金委、中國科學院、中國科學技術(shù)大學的大力支持下，于今年4月成功建立了目前國內(nèi)唯一可以同時操控電子和核自旋的實驗平臺。在此基礎(chǔ)上，他們第一次在真實固態(tài)體系中開展獨立實驗，實現(xiàn)了最優(yōu)動力學解耦方案。研究人員用最多7個微波脈沖把一種叫丙二酸的材料里的電子自旋的相干時間從不足二千萬分之一秒提高到了近三萬分之一秒，這個時間已經(jīng)能夠滿足一些量子計算任務的需要。他們的研究顯示，即使在常溫下，這樣的方案也是可以工作的，這為用固態(tài)材料研制出能在室溫下使用的量子計算機奠定了基礎(chǔ)。

研究人員認為，一旦實際固態(tài)體系的各種退相干機制被人們所完全了解，高精度的相干控制將更加容易，距離量子計算機的真正實現(xiàn)也不再遙遠。

(微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、新聞中心聯(lián)合報道)

總結(jié)

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