中国量子科研CP达到毫秒级的“必杀技”

古有神雕侠侣，今有 “量子侠侣”！

近日，Physics World 曝光了一对中国 “量子科研 CP”—— 石致富和代映秋。

其中，Physics World 编辑 Margaret Harris 还发推文表示，“希望这对 couple ‘相干超过一毫秒’”。

这对“量子侠侣”都是中国科学技术大学的 90 后物理博士生，他们既是恋人、也是同事。

最近还以 CP 身份完成一项研究，并以论文形式发表在《中国物理快报》上，论文标题为《超过一毫秒的分子量子位的自旋相干的实验保护》（Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond）。

从 6.8 微秒 延长到 1.4 毫秒

本次研究的主要成果是，让该量子比特的相干时间，从 6.8 微秒 延长到 1.4 毫秒，从理论上能支持 14.5 万次基本逻辑运算，量子比特的 “品质因数” 也比此前报道数值提升了 40 倍。

40 倍能带来哪些好处？

代映秋表示，相干时间是量子比特的基础，也是量子计算比较重要的七个判断标准之一，本次的 “14.5 万次” 基本和目前较为热门的体系持平，也证明了分子量子比特是一个很有潜力的量子计算候选体系。

此外，量子比特的 “品质因数”， 直接决定该体系是否有潜力实现将来量子计算的复杂运算，以领域内比较经典的超导研究为例，其 “品质因数” 是 8.5 万次，离子阱数据则是 14 万次。

概括来说，本次研究实现的自旋相干性，是分子量子位在量子信息处理中的关键步骤，并且非常具有挑战性。

达到毫秒级的 “必杀技”：使用微波脉冲序列操控方法

研究中，石致富和代映秋把微波脉冲序列操控的方法，用在他们自己的磁性分子量子比特体系上。

相比传统方法，该方法无需对分子进行特殊修饰，因此可保留其丰富的量子比特资源被利用的可能性。

图 | 4 阶 CPMG 动力学去偶序列得到的回波衰减图（来源：Physics World）

之前，多是化学领域、或分子合成领域的学者在研究磁性分子，他们最想实现的是控制电子自旋周围的一些噪声。

通常在压制噪声上，化学领域学者会采用化学合成法，然后去改进它的分子结构，并减少周围一些核自旋带来的噪声。

但对于物理学者来说，周围核自旋也非常稀缺，要做量子计算肯定不能只用一个量子比特，他们肯定希望周围有相互作用的自旋比特。

故此，使用微波脉冲序列操控的方法，可实现自身分子结构不会出现改变。如果不用微波脉冲序列操控的方法，只能用其他化学合成方法，也很难达到超过毫秒级的相干时间。

为延长相干时间，他们将过渡金属配位化合物的电子自旋作为量子比特，在 X 波段脉冲式电子顺磁共振谱仪 EPR100（下称 EPR100）上使用微波脉冲序列，对分子量子比特的量子态进行 “翻转”，最终实现在特定时间内、平均掉特定耦合产生的效果。

图 | 不同阶数的动力学去偶序列得到的相干时间谱图（来源 ：Physics World）

关于这里的 “翻转”，代映秋解释称，传统比特是 0101 的状态，量子比特的状态除了 0 态和 1 态，还有一些叠加态，而叠加态的改变就叫 “翻转”。

在物理里面的布洛赫球体模型中，从 0 态到 1 态的 “翻转”，相当于从球体上面的南极到了北极，这样就叫一次态的 180° 的 “翻转”。

可在不影响身体机能下，做新磁成像治脑病

据悉，该研究成果可提高量子比特退相干时间，在量子传感领域和磁性生物医学成像可得到广泛应用。

代映秋表示，在研究量子比特过程中，除把它用作量子计算以外，基本所有量子比特都在朝更广泛的应用方向发展。

具体来说，磁性生物医学成像是比较经典的应用，此前已有学者做出核磁体系的脑成像。

此外，心磁成像也是一个热门应用，物理学家和医学家都想在不影响患者身体机能的情况下，对心脑疾病进行研究。

而国仪量子也在开展微观量子传感技术的研发，比较核心的产品是基于金刚石的 NV 色心的精密量子测量仪器，可以测量单个分子、或单个蛋白等微观结构也可做地磁、电网电流检测的磁场探索。

工欲善其事，必先利其器

该研究始于 2015 年，立项原因是因为他们认为分子磁体是一个非常好的量子比特，并且此前物理领域内鲜有研究。而且，磁性分子中的电子自旋，已成为另一种量子位的可能性，与其他物理系统相比，这些分子量子位具有多个优点。

具体来说，分子磁体的能级结构比较丰富，不像传统单个电子，可能只有两能级，能级结构比较单一；而且，磁性分子的能级更丰富，因此也能做更复杂的量子计算研究。

启动研究之时，他们实验室也有一台商用仪器，但是发现首先其脉冲个数无法满足实验要求，其次相位稳定性也不够。

就在初始仪器上做出的结论来说，也不甚理想，当时他们把在仪器理想状态下做出的数据，做以测试和分析后，发现结果中有错误，原因正由上述仪器导致。

后来，他们俩开始自制仪器并进行逐步改进，最终在 EPR100 上顺利完成本次研究。

研究中用到的 EPR100，主要由石致富参与设计，也是中国首台商用的 X 波段脉冲式电子顺磁共振谱仪，对本次研究起着基础支撑作用。

为实现商用，石致富带领国仪量子的工程师，对 EPR100 的原理机做了两处改进：

第一，改进了之前购买的进口商用谱仪的微波射频，改进后脉冲个数比商用谱仪更多，脉冲稳定性、微波功率等硬指标都比商用谱仪更高。

第二，科研实验经常要做创造性方案，使用商业谱仪有时会受到限制，因此科研人员有时不得不自己去开发软件。为此，石致富特意提升了软件稳定性，并将其集成到 EPR100 上。

相比进口产品，EPR100 从跟跑到并跑，目前一些指标上已经能做到领跑，也已成为清华大学、中国科学院青藏高原研究所等科研院所的研发 “利器”。2019 年 11 月，清华大学向该公司赠送的锦旗写道：“解决了卡脖子问题，为我国仪器之表率”。

EPR100 除应用于科研之外，还可用于食品等工业领域。

以啤酒中啤酒花的光降解为例，大多数光化学反应，是通过作为中间产物的自由基进行的。

例如，在酿造过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。这会让啤酒在受到光照后，形成自由基、并和硫化合物做结合，最终给啤酒带来不愉快的味道和气味。

而电子顺磁共振谱仪正是它们的克星，因为电子顺磁共振技术是目前唯一可以直接探测自由基的技术。啤酒在灌装之前，经过电子顺磁共振谱仪的 “体检”， 便可保证口感的清冽。

实际上，EPR100 谱仪也已成为国内外企业科研平台的常规设备仪器，食品、食用油、烟草及化妆品等行业的质控和检测都有它的身影。

相识于实验室，称 “并无太多风花雪月”

据悉，石致富已于 2019 年加入国仪量子，目前担任磁共振业务线副总监 ，代映秋则正在该公司实习，前者博士已经毕业，后者将于 2021 年下半年毕业。

毕业后，代映秋希望成为一名优秀的应用工程师，把 EPR100 的应用开发做得更好，成为工程师和科学家之间的桥梁。

她说：“比如在生物医疗领域，我希望尽可能收集和反馈这个科研方向对谱仪的需求，结合自身在磁共振领域的知识储备，帮助科学家们用好这一技术，产出更多、更好的科研成果。“

谈及在高校和在公司做科研的区别，石致富表示，校园科研更多是从 0 到 1 闯入知识的无人区，更重视先进性、创造性；而公司研发则更重视实用性、稳定性、可维护性。

石致富是山西人，生于 1990 年，比生于云南的代映秋大两岁，他们此前是中科大同一个实验室、同一个导师下面的师兄和师妹。

该校有一个传统，读到大三就要进入实验室，做一些小的科研项目。等到代映秋大四做毕业设计时，石致富正在读研一，进入实验室的代映秋也因此结识对方。

实验室里并没有太多风花雪月，石致富说研一、研二时比较年轻，一天十几个小时都泡在实验室，因为天天做实验待一起，也就像量子比特一样 “纠缠” 了起来。

90 后已经进入而立之年，也正在成为科研界的主力军之一，爱情属于他们，科研更属于他们。

原文标题：中国科大90后“量子侠侣”把量子比特相干时间从微秒延长至毫秒级！有望用于磁性医学成像 | 专访

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责任编辑：haq