古有神雕俠侶，今有 “量子俠侶”！

近日，Physics World 曝光了一對(duì)中國(guó) “量子科研 CP”—— 石致富和代映秋。

其中，Physics World 編輯 Margaret Harris 還發(fā)推文表示，“希望這對(duì) couple ‘相干超過(guò)一毫秒’”。

這對(duì)“量子俠侶”都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的 90 后物理博士生，他們既是戀人、也是同事。

最近還以 CP 身份完成一項(xiàng)研究，并以論文形式發(fā)表在《中國(guó)物理快報(bào)》上，論文標(biāo)題為《超過(guò)一毫秒的分子量子位的自旋相干的實(shí)驗(yàn)保護(hù)》（Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond）。

從 6.8 微秒 延長(zhǎng)到 1.4 毫秒

本次研究的主要成果是，讓該量子比特的相干時(shí)間，從 6.8 微秒 延長(zhǎng)到 1.4 毫秒，從理論上能支持 14.5 萬(wàn)次基本邏輯運(yùn)算，量子比特的 “品質(zhì)因數(shù)” 也比此前報(bào)道數(shù)值提升了 40 倍。

40 倍能帶來(lái)哪些好處？

代映秋表示，相干時(shí)間是量子比特的基礎(chǔ)，也是量子計(jì)算比較重要的七個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)之一，本次的 “14.5 萬(wàn)次” 基本和目前較為熱門(mén)的體系持平，也證明了分子量子比特是一個(gè)很有潛力的量子計(jì)算候選體系。

此外，量子比特的 “品質(zhì)因數(shù)”， 直接決定該體系是否有潛力實(shí)現(xiàn)將來(lái)量子計(jì)算的復(fù)雜運(yùn)算，以領(lǐng)域內(nèi)比較經(jīng)典的超導(dǎo)研究為例，其 “品質(zhì)因數(shù)” 是 8.5 萬(wàn)次，離子阱數(shù)據(jù)則是 14 萬(wàn)次。

概括來(lái)說(shuō)，本次研究實(shí)現(xiàn)的自旋相干性，是分子量子位在量子信息處理中的關(guān)鍵步驟，并且非常具有挑戰(zhàn)性。

達(dá)到毫秒級(jí)的 “必殺技”：使用微波脈沖序列操控方法

研究中，石致富和代映秋把微波脈沖序列操控的方法，用在他們自己的磁性分子量子比特體系上。

相比傳統(tǒng)方法，該方法無(wú)需對(duì)分子進(jìn)行特殊修飾，因此可保留其豐富的量子比特資源被利用的可能性。

圖 | 4 階 CPMG 動(dòng)力學(xué)去偶序列得到的回波衰減圖（來(lái)源：Physics World）

之前，多是化學(xué)領(lǐng)域、或分子合成領(lǐng)域的學(xué)者在研究磁性分子，他們最想實(shí)現(xiàn)的是控制電子自旋周?chē)囊恍┰肼暋?/p>

通常在壓制噪聲上，化學(xué)領(lǐng)域?qū)W者會(huì)采用化學(xué)合成法，然后去改進(jìn)它的分子結(jié)構(gòu)，并減少周?chē)恍┖俗孕龓?lái)的噪聲。

但對(duì)于物理學(xué)者來(lái)說(shuō)，周?chē)俗孕卜浅Ｏ∪?，要做量子?jì)算肯定不能只用一個(gè)量子比特，他們肯定希望周?chē)邢嗷プ饔玫淖孕忍亍?/p>

故此，使用微波脈沖序列操控的方法，可實(shí)現(xiàn)自身分子結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)改變。如果不用微波脈沖序列操控的方法，只能用其他化學(xué)合成方法，也很難達(dá)到超過(guò)毫秒級(jí)的相干時(shí)間。

為延長(zhǎng)相干時(shí)間，他們將過(guò)渡金屬配位化合物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（下稱(chēng) EPR100）上使用微波脈沖序列，對(duì)分子量子比特的量子態(tài)進(jìn)行 “翻轉(zhuǎn)”，最終實(shí)現(xiàn)在特定時(shí)間內(nèi)、平均掉特定耦合產(chǎn)生的效果。

圖 | 不同階數(shù)的動(dòng)力學(xué)去偶序列得到的相干時(shí)間譜圖（來(lái)源 ：Physics World）

關(guān)于這里的 “翻轉(zhuǎn)”，代映秋解釋稱(chēng)，傳統(tǒng)比特是 0101 的狀態(tài)，量子比特的狀態(tài)除了 0 態(tài)和 1 態(tài)，還有一些疊加態(tài)，而疊加態(tài)的改變就叫 “翻轉(zhuǎn)”。

在物理里面的布洛赫球體模型中，從 0 態(tài)到 1 態(tài)的 “翻轉(zhuǎn)”，相當(dāng)于從球體上面的南極到了北極，這樣就叫一次態(tài)的 180° 的 “翻轉(zhuǎn)”。

可在不影響身體機(jī)能下，做新磁成像治腦病

據(jù)悉，該研究成果可提高量子比特退相干時(shí)間，在量子傳感領(lǐng)域和磁性生物醫(yī)學(xué)成像可得到廣泛應(yīng)用。

代映秋表示，在研究量子比特過(guò)程中，除把它用作量子計(jì)算以外，基本所有量子比特都在朝更廣泛的應(yīng)用方向發(fā)展。

具體來(lái)說(shuō)，磁性生物醫(yī)學(xué)成像是比較經(jīng)典的應(yīng)用，此前已有學(xué)者做出核磁體系的腦成像。

此外，心磁成像也是一個(gè)熱門(mén)應(yīng)用，物理學(xué)家和醫(yī)學(xué)家都想在不影響患者身體機(jī)能的情況下，對(duì)心腦疾病進(jìn)行研究。

而國(guó)儀量子也在開(kāi)展微觀(guān)量子傳感技術(shù)的研發(fā)，比較核心的產(chǎn)品是基于金剛石的 NV 色心的精密量子測(cè)量?jī)x器，可以測(cè)量單個(gè)分子、或單個(gè)蛋白等微觀(guān)結(jié)構(gòu)也可做地磁、電網(wǎng)電流檢測(cè)的磁場(chǎng)探索。

工欲善其事，必先利其器

該研究始于 2015 年，立項(xiàng)原因是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為分子磁體是一個(gè)非常好的量子比特，并且此前物理領(lǐng)域內(nèi)鮮有研究。而且，磁性分子中的電子自旋，已成為另一種量子位的可能性，與其他物理系統(tǒng)相比，這些分子量子位具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

具體來(lái)說(shuō)，分子磁體的能級(jí)結(jié)構(gòu)比較豐富，不像傳統(tǒng)單個(gè)電子，可能只有兩能級(jí)，能級(jí)結(jié)構(gòu)比較單一；而且，磁性分子的能級(jí)更豐富，因此也能做更復(fù)雜的量子計(jì)算研究。

啟動(dòng)研究之時(shí)，他們實(shí)驗(yàn)室也有一臺(tái)商用儀器，但是發(fā)現(xiàn)首先其脈沖個(gè)數(shù)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，其次相位穩(wěn)定性也不夠。

就在初始儀器上做出的結(jié)論來(lái)說(shuō)，也不甚理想，當(dāng)時(shí)他們把在儀器理想狀態(tài)下做出的數(shù)據(jù)，做以測(cè)試和分析后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果中有錯(cuò)誤，原因正由上述儀器導(dǎo)致。

后來(lái)，他們倆開(kāi)始自制儀器并進(jìn)行逐步改進(jìn)，最終在 EPR100 上順利完成本次研究。

研究中用到的 EPR100，主要由石致富參與設(shè)計(jì)，也是中國(guó)首臺(tái)商用的 X 波段脈沖式電子順磁共振譜儀，對(duì)本次研究起著基礎(chǔ)支撐作用。

為實(shí)現(xiàn)商用，石致富帶領(lǐng)國(guó)儀量子的工程師，對(duì) EPR100 的原理機(jī)做了兩處改進(jìn)：

第一，改進(jìn)了之前購(gòu)買(mǎi)的進(jìn)口商用譜儀的微波射頻，改進(jìn)后脈沖個(gè)數(shù)比商用譜儀更多，脈沖穩(wěn)定性、微波功率等硬指標(biāo)都比商用譜儀更高。

第二，科研實(shí)驗(yàn)經(jīng)常要做創(chuàng)造性方案，使用商業(yè)譜儀有時(shí)會(huì)受到限制，因此科研人員有時(shí)不得不自己去開(kāi)發(fā)軟件。為此，石致富特意提升了軟件穩(wěn)定性，并將其集成到 EPR100 上。

相比進(jìn)口產(chǎn)品，EPR100 從跟跑到并跑，目前一些指標(biāo)上已經(jīng)能做到領(lǐng)跑，也已成為清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所等科研院所的研發(fā) “利器”。2019 年 11 月，清華大學(xué)向該公司贈(zèng)送的錦旗寫(xiě)道：“解決了卡脖子問(wèn)題，為我國(guó)儀器之表率”。

EPR100 除應(yīng)用于科研之外，還可用于食品等工業(yè)領(lǐng)域。

以啤酒中啤酒花的光降解為例，大多數(shù)光化學(xué)反應(yīng)，是通過(guò)作為中間產(chǎn)物的自由基進(jìn)行的。

例如，在釀造過(guò)程中使用的啤酒花含有活性成分的混合物，其中部分具有光敏性。這會(huì)讓啤酒在受到光照后，形成自由基、并和硫化合物做結(jié)合，最終給啤酒帶來(lái)不愉快的味道和氣味。

而電子順磁共振譜儀正是它們的克星，因?yàn)殡娮禹槾殴舱窦夹g(shù)是目前唯一可以直接探測(cè)自由基的技術(shù)。啤酒在灌裝之前，經(jīng)過(guò)電子順磁共振譜儀的 “體檢”， 便可保證口感的清冽。

實(shí)際上，EPR100 譜儀也已成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)科研平臺(tái)的常規(guī)設(shè)備儀器，食品、食用油、煙草及化妝品等行業(yè)的質(zhì)控和檢測(cè)都有它的身影。

相識(shí)于實(shí)驗(yàn)室，稱(chēng) “并無(wú)太多風(fēng)花雪月”

據(jù)悉，石致富已于 2019 年加入國(guó)儀量子，目前擔(dān)任磁共振業(yè)務(wù)線(xiàn)副總監(jiān) ，代映秋則正在該公司實(shí)習(xí)，前者博士已經(jīng)畢業(yè)，后者將于 2021 年下半年畢業(yè)。

畢業(yè)后，代映秋希望成為一名優(yōu)秀的應(yīng)用工程師，把 EPR100 的應(yīng)用開(kāi)發(fā)做得更好，成為工程師和科學(xué)家之間的橋梁。

她說(shuō)：“比如在生物醫(yī)療領(lǐng)域，我希望盡可能收集和反饋這個(gè)科研方向?qū)ψV儀的需求，結(jié)合自身在磁共振領(lǐng)域的知識(shí)儲(chǔ)備，幫助科學(xué)家們用好這一技術(shù)，產(chǎn)出更多、更好的科研成果?！?/p>

談及在高校和在公司做科研的區(qū)別，石致富表示，校園科研更多是從 0 到 1 闖入知識(shí)的無(wú)人區(qū)，更重視先進(jìn)性、創(chuàng)造性；而公司研發(fā)則更重視實(shí)用性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性。

石致富是山西人，生于 1990 年，比生于云南的代映秋大兩歲，他們此前是中科大同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室、同一個(gè)導(dǎo)師下面的師兄和師妹。

該校有一個(gè)傳統(tǒng)，讀到大三就要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，做一些小的科研項(xiàng)目。等到代映秋大四做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，石致富正在讀研一，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的代映秋也因此結(jié)識(shí)對(duì)方。

實(shí)驗(yàn)室里并沒(méi)有太多風(fēng)花雪月，石致富說(shuō)研一、研二時(shí)比較年輕，一天十幾個(gè)小時(shí)都泡在實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樘焯熳鰧?shí)驗(yàn)待一起，也就像量子比特一樣 “糾纏” 了起來(lái)。

90 后已經(jīng)進(jìn)入而立之年，也正在成為科研界的主力軍之一，愛(ài)情屬于他們，科研更屬于他們。

原文標(biāo)題：中國(guó)科大90后“量子俠侶”把量子比特相干時(shí)間從微秒延長(zhǎng)至毫秒級(jí)！有望用于磁性醫(yī)學(xué)成像 | 專(zhuān)訪(fǎng)

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