中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）固態量子信息與計算實驗室的潘新宇副研究員小組在國內率先開展基于氮-空位中心量子計算研究，自主設計搭建了三套由激光掃描、熒光收集、旋轉磁場和射頻微波脈沖控制組成的量子調控系統。基于該實驗系統，通過與多個理論小組的合作交流，完成了一系列實驗研究。他們首次在室溫下固態體系中實現了最優化相位量子克隆機【Applied Physics Letters 99, 051113 （2011）】；在進一步掌握了更精確的量子態相位控制技術之后，演示了對BB84協議中四個基本態的量子克隆操作【Scientific Reports 3, 01498 （2013）】；首次在室溫下觀測到可控的量子漲落效應【Scientific Reports 2, 432 （2012）】。

金剛石中的氮-空位中心（Nitrogen-Vacancy center）是實現量子計算的優良載體。在純凈的金剛石中，一個氮原子取代碳原子，與相鄰格點中存在的空位（見圖1）會形成氮-空位中心。氮-空位中心具有如下特征：（1）在室溫下具有很長的電子自旋退相干時間；（2）用激光激發、微波操控和熒光讀出可以實現量子態的高保真度制備、操控及讀取；（3）與周圍核自旋形成豐富的超精細相互作用環境。這些獨特的性質使得氮-空位中心在量子計算、高空間分辨率的弱磁探測（單分子NMR）和溫度探測等方面擁有巨大的應用價值。

為了實現真正意義上的量子計算，延長量子比特的相干時間以及實現復合（擴展）比特的相干操作是主要挑戰。氮-空位中心近鄰的核自旋是實現擴展量子計算的優良媒介，同時也是造成中心電子自旋退相干的主要原因。常規的動力學解耦技術（Dynamical Decoupling）可以有效延長中心電子自旋的相干時間，但也會不可避免地影響電子自旋和核自旋的相互作用，而這種相互作用又是實現復合比特量子邏輯門（Quantum Gate）的必備條件，所以同時實現中心電子自旋相干性保護和量子邏輯門是非常困難的。

為了解決這一矛盾，固態量子信息與計算實驗室潘新宇副研究員、博士生劉剛欽與香港中文大學劉仁保教授和Hoi Chun Po同學等合作，提出用動力學解耦來直接實現的量子邏輯門的方案（Quantum Gate by Dynamical Decoupling）。這個方案僅需要給氮-空位中心的電子自旋施加特定間隔的動力學解耦脈沖，就能在保護電子自旋相干性的同時，引導鄰近的13C核自旋完成特定的演化（見圖3），進而實現普適的量子邏輯門操作。他們理論設計并在實驗上演示了這一方案中的受控非門（controlled-NOT Gate），用該量子邏輯門實現了電子自旋和核自旋的最大糾纏態的制備，末態（Bell State）保真度達到了91%。他們還進一步測試了該量子邏輯門的多次操作效果，發現它能將電子自旋相干時間延長30倍以上（見圖4）。這一創新技術可以推廣到其它需要用動力學解耦來延長相干時間的量子計算體系中，具有普適意義。相關研究結果發表在近期【Nature Communications, 4, 2254, doi:10.1038/ncomms3254 （2013）】上。

上述工作得到了科技部“973”項目、中國科學院和國家自然科學基金的大力支持。

圖1  金剛石氮空位中心電子自旋和近鄰13C核自旋構成的雙比特系統以及用動力學解耦脈沖來引導系統演化

圖2  數值計算優化的5種量子邏輯門的表現。

圖3  實驗上對C-NOT門的演示，以高保真度制備了Bell態。

圖4  在進行量子邏輯門操作的同時，中心電子自旋的相干時間被延長了30倍。