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国仪量子90后“量子侠侣”发糖:将量子比特品质因数提升40倍

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。

图 | Physics World 的报道(来源:Physics World)

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’”。

图 | 相关推文(来源:Margaret Harris 推文)

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。

图 | 后方为代映秋,前方为石致富(来源:受访者)

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。

图 | 高灵敏度磁探测技术(来源:受访者)

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。

图 | EPR100(来源:受访者)

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。

图 | “量子侠侣”(来源:受访者)

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。