科研进展 | 中科大郭光灿院士团队等：在磁子-自旋混合系统上实现量子逻辑的室温实验

量子信息技术的快速发展刺激了对建立能够提供互补功能和多任务处理能力的混合量子系统（HQS）的需求。最近，科研人员对利用磁子和其他离散量子系统的HQS越来越感兴趣。然而，室温下，在由单自旋和相干磁子组成的HQS上实现高保真量子逻辑仍然难以捉摸。

11月18日，中国科学技术大学郭光灿院士团队和固态微波器件与电路全国重点实验室的研究人员合作在《Physical Review Applied》期刊上发表题为“Room-temperature experimental implementation of quantum logic on a hybrid magnon-spin system”（在磁子-自旋混合系统上实现量子逻辑的室温实验）的研究论文，Wang Jiang为论文第一作者，Yang Dong、孙方稳教授为论文共同通讯作者。

在这项研究中，研究团队成功演示了对单个自旋态的高保真量子控制，并通过灵活的相干磁子驱动，在HQS上实现了量子博弈的实验性实施。这一成就是通过使用氮空位色心和钇铁石榴石薄膜实现的。研究结果不仅强调了单自旋相干性在实现高保真量子逻辑方面的优势，而且还强调了由于将能量成本降低了两个数量级，因此磁子驱动不会产生热量。反过来，这为进一步研究开辟了令人兴奋的途径，重点是在量子网络的背景下将自旋量子比特与磁子的量子数据总线纠缠在一起。

背景

磁子是磁有序材料（包括绝缘体）中的集体自旋激发。这些激发态被称为自旋波，其量子便是磁子。这些激发态是微尺度和纳米尺度上信息传输和处理的强大工具，从而减少了逻辑单元的足迹。在过去的几十年里，包括逻辑门、晶体管、非布尔计算单元在内的磁子器件组件已经基于磁子器件开发出来。

研究充分的氧化铁——磁钇铁石榴石（YIG）薄膜——因其在室温下的外延晶体结构以及独特的低磁阻尼而成为一种优秀的磁子学材料。最近，磁子学在YIG材料提供了在毫开尔文温度下设计HQS的机会，这些HQS中的磁子与微波、光学光子、超导量子比特、固体自旋缺陷、声子等相干耦合。实现基于磁子的多功能混合量子系统的一个重要里程碑是实现高保真量子逻辑门的能力。

然而，一些实验结果表明，固体自旋的量子相干，如金刚石中的氮空位（N-V）色心，当放置在YIG薄膜附近时，由于与驱动铁磁共振（FMR）产生的非相干热扩散磁子的相互作用而被显著抑制。这些发现为实现磁子化学势的局域测量和研究纳米级铁磁系统的自旋特性提供了重要的希望。然而，他们也表明非相干机制在热磁自旋耦合中起主导作用。因此，通过利用磁子-自旋相互作用的相干方面，有望在这个HQS上实现高保真的量子逻辑。但这仍然是一项具有挑战性的实验努力。

理论方法

在YIG薄膜中，磁子可以通过微波电流激发，并沿表面传播，与N-V色心的自旋态相互作用。这种相互作用可以通过磁矩与磁子的耦合哈密顿量来描述。具体而言，利用N-V色心的电子自旋与外部磁场的相互作用，以及与磁子的耦合项。在这个框架下，N-V色心的自旋态可以通过磁子的驱动而改变，而磁子的传播特性则由YIG薄膜的磁性质决定。

研究团队进一步计算了N-V色心的Rabi频率，这是描述N-V色心在磁子驱动下振荡频率的一个重要参数。通过调整微波频率以匹配N-V色心的电子自旋共振（ESR）频率，实现了对N-V色心的相干操控。这种操控是实现量子逻辑门和量子信息处理的关键。

此外，研究团队还探讨了磁子驱动对于量子信息处理的优势。与传统的微波场驱动相比，磁子驱动可以显著降低能耗和减少焦耳热的产生。这一优势源于磁子在绝缘系统中的传播特性，即磁子可以在YIG薄膜中传播而不需要电子的参与，从而避免了电子传输中的能量耗散。

实验方案

实验装置包括一个YIG薄膜和一块含有N-V色心阵列的金刚石。YIG薄膜因其低磁阻尼特性而被选为磁子的载体，而N-V色心则作为自旋量子比特的实现。实验中，研究团队使用532纳米激光器来激发N-V色心，并读取其状态。光学设置是在一个自制的扫描共聚焦显微镜下进行的，激光束通过一个数值孔径为0.7的Leica目标镜头聚焦到一个直径为500纳米的点上。N-V色心发出的光致发光（PL）由同一目标镜头收集，并使用单光子计数模块检测。

微波信号由Rohde & Schwarz MW生成器产生，用于驱动N-V色心。研究团队使用SpinCore可编程脉冲发生器来控制微波开关和声光调制器。N-V色心的位置通过压电台调整，而永久磁铁的位置则由三维电动平移台控制。

在实验中，研究团队特别关注了N-V色心与YIG薄膜之间的距离，因为这直接影响到磁子与自旋之间的相互作用强度。通过精确控制微波场的相位和持续时间，研究团队能够在室温下实现单量子比特逻辑门的量子囚徒困境游戏。这一实验不仅展示了量子逻辑门的实现，也证明了磁子驱动在量子信息处理中的潜力。

为了进一步验证磁子驱动的效果，研究团队进行了一系列的量子相干性实验，包括Rabi振荡、Ramsey干涉和自旋回波实验。这些实验结果表明，磁子驱动不仅能够实现对N-V色心的高效操控，而且能够保持量子态的相干性，这对于量子计算和量子通信至关重要。

图1：金刚石在其表面以下约40nm处植入了一系列N-V自旋。

图2：(a) N-V与磁场和MW驱动频率的PL。(b) 具有两个特征跃迁的ESR谱。(c) 单个N-V色心的Rabi振荡。(d) 自旋锁定序列和结果。(e) 金刚石N-V色心的拉姆齐振荡。(f) 自旋回波序列和作为回波序列进动时间的函数的PL。(g)(h) 制备不同的初始自旋态|0>和|−1>，，并用磁子测量相应的T1。

图3：(a) 在不同偏置磁场下，Rabi频率增强因子随磁子驱动频率的变化。(b) 不同驱动方法下，微波功率成本与Rabi频率的关系。(c)(d) 在微波和磁子驱动时，类似的Rabi振荡频率（12.1和11.4 MHz）。(e) 在相似的高Rabi频率（12.1和11.4 MHz）下，不同驱动方法的ESR谱发生位移。(f) 两种驱动方法的共振频移或温度变化与不同Rabi频率的关系。

图4：(a) 这是“便士翻转”游戏的草图。(b) 经典线路和便士翻转游戏结果。(c) 量子线路和便士翻转游戏结果。(d) 量子游戏的实验脉冲序列。

图5：磁场与金刚石之间分离的测量。

主要研究人员

郭光灿，中国科学院院士，中国科学技术大学教授、博导，中国科学院量子信息重点实验室主任，现任中国物理学会常务理事、中国光学学会理事长。长期从事量子光学、量子通信和量子计算的理论和实验研究。

孙方稳，中国科学技术大学物理学院教授、博导，光学与光学工程系副主任，中国光学学会基础光学专业委会委员。研究方向为量子光学，微纳光学和量子计量。

参考链接

[1]https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.22.054048

[2]http://lqcc.ustc.edu.cn/hr1.html

[3]https://faculty.ustc.edu.cn/sunfangwen/zh_CN/index.htm