近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室杜江峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和香港中文大學(xué)劉仁保教授合作，在金剛石N-V空位色心構(gòu)成的單電子自旋體系中觀測(cè)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(guān)工作發(fā)表在《自然—通訊》雜志上。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果在利用量子噪聲進(jìn)行量子信息處理方面邁出了重要的一步。

       由于環(huán)境會(huì)對(duì)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(yīng)，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(jī)漲落。根據(jù)這一經(jīng)典模型可以得出如下結(jié)論：噪聲越強(qiáng)，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(shè)：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(duì)于環(huán)境的反作用是可以忽略的。然而隨著當(dāng)代量子科學(xué)的發(fā)展，相對(duì)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(xué)的模型來處理退相干效應(yīng)。劉仁保教授等人的理論計(jì)算預(yù)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(gòu)成的三能級(jí)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(gè)碳十三核自旋相互耦合。而|1> 和|-1>疊加態(tài)(二階相干項(xiàng))和環(huán)境的耦合強(qiáng)度是兩倍于|1> 和|0>疊加態(tài)(一階相干項(xiàng))與環(huán)境的耦合。在常溫下，由于核自旋的隨機(jī)朝向帶來的熱漲落會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)很強(qiáng)的退相干效應(yīng)。此時(shí)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(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)消除經(jīng)典噪聲。隨后觀察到的現(xiàn)象令人驚奇：隨著動(dòng)力學(xué)解耦階數(shù)的增加，二階相干項(xiàng)的相干時(shí)間比一階相干項(xiàng)增長得更快，最后二階項(xiàng)的相干時(shí)間超過了一階項(xiàng)。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得非常好。

       實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(dòng)力學(xué)去耦技術(shù)翻轉(zhuǎn)中心電子自旋時(shí)，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(jìn)行量子信息處理的有用資源。