近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室杜江峰教授領導的研究小組和香港中文大學劉仁保教授合作，在金剛石N-V空位色心構成的單電子自旋體系中觀測到了反常退相干現(xiàn)象。反常退相干現(xiàn)象的存在顯示出電子自旋周圍環(huán)境的量子特性以及可控制性。相關工作發(fā)表在《自然—通訊》雜志上。該實驗結果在利用量子噪聲進行量子信息處理方面邁出了重要的一步。

       由于環(huán)境會對量子系統(tǒng)發(fā)生耦合干擾，使得系統(tǒng)的相干性不可避免地流失。這已在量子信息處理極為重要的效應，被稱為退相干。根據(jù)經(jīng)典的噪聲理論，環(huán)境給電子自旋帶來的影響被視作經(jīng)典的隨機漲落。根據(jù)這一經(jīng)典模型可以得出如下結論：噪聲越強，系統(tǒng)的退相干越快。這一模型已經(jīng)成功地解釋了各種體系中的退相干過程。但是上述經(jīng)典模型是基于以下假設：環(huán)境的尺度相比于中心自旋足夠大，這樣來自中心自旋對于環(huán)境的反作用是可以忽略的。然而隨著當代量子科學的發(fā)展，相對于中心自旋體系，外界環(huán)境的尺度已經(jīng)越來越小。在這種情況下，必須要采用基于量子力學的模型來處理退相干效應。劉仁保教授等人的理論計算預言，在周圍含有大量核自旋的單電子自旋體系中，退相干現(xiàn)象不能用經(jīng)典噪聲理論解釋。

       杜江峰教授研究組利用金剛石超純樣品中的N-V空位色心構成的三能級體系，研究其退相干現(xiàn)象。在這一體系中，中心電子自旋和周圍的數(shù)百個碳十三核自旋相互耦合。而|1> 和|-1>疊加態(tài)(二階相干項)和環(huán)境的耦合強度是兩倍于|1> 和|0>疊加態(tài)(一階相干項)與環(huán)境的耦合。在常溫下，由于核自旋的隨機朝向帶來的熱漲落會導致系統(tǒng)很強的退相干效應。此時這一退相干過程是經(jīng)典的。為了看到非經(jīng)典的退相干過程，研究人員利用動力學解耦技術消除經(jīng)典噪聲。隨后觀察到的現(xiàn)象令人驚奇：隨著動力學解耦階數(shù)的增加，二階相干項的相干時間比一階相干項增長得更快，最后二階項的相干時間超過了一階項。在未使用任何擬合參數(shù)的情況下，理論數(shù)值模擬得到數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)符合得非常好。

       實驗觀測到的反常量子退相干現(xiàn)象表明了電子自旋周圍碳十三核自旋噪聲的量子特性。由于核自旋噪聲和中心自旋相互作用的存在，在利用動力學去耦技術翻轉中心電子自旋時，核自旋也被相干地控制了。這一研究表明，微觀尺度的外界環(huán)境所表現(xiàn)出來的量子特性，并非是一種無用的噪聲，而是可以用來進行量子信息處理的有用資源。