江颖课题组利用全新扫描探针技术大幅提升固态量子比特的相干性

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京大学轻元素先进材料研究中心江颖教授团队和香港科技大学杨森副教授、德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授等合作，基于自主研发的qPlus型扫描探针显微镜系统，发展出可控操纵金刚石近表面电子自旋库的新技术，大幅提升了浅层固态量子比特的相干性（相干时间T₂最高可延长20倍），有望突破量子传感领域的应用瓶颈。该研究成果以“通过电子自旋库的局域调控提升固态量子比特相干性”（Coherence enhancement of solid-state qubits by local manipulation of the electron spin bath）为题，于8月25日发表在《自然·物理》(Nature Physics)杂志。

量子比特是量子计算、量子信息和量子传感等前沿量子科技的基石。量子相干性是量子比特的一个核心参数，表明量子比特维持其量子特性的能力，并直接决定了量子比特的工作性能。发展有效抑制量子比特退相干的方法对量子科技的应用至关重要。金刚石中的氮-空位色心（NV center）是最具代表性的固态量子比特之一，在室温大气环境下的相干时间可达到毫秒量级，因此其作为量子传感器的探测灵敏度极高，理论上可探测单个质子自旋产生的磁场。为了提高量子传感的信噪比和空间分辨，一般需要让NV尽量靠近金刚石表面。然而，受限于浅层NV的制备工艺，生长过程中金刚石近表面易产生大量顺磁缺陷，引起浅层NV的显著退相干，并大幅降低其探测灵敏度。因此，NV的实际探测灵敏度离理论极限存在很大的差距，严重限制了NV量子传感技术的应用。

图1 a：自行研制的扫描量子传感显微系统模型图，这项工作的全部数据均来源于该系统；b：扫描量子传感显微系统核心探头的实物照片

江颖课题组长期致力于自主研发先进扫描探针显微镜（SPM）技术，近年来成功将量子传感技术和qPlus型扫描探针技术有机融合，研发了一台扫描量子传感显微系统（图1），国际上首次实现了基于NV的纳米级电场成像和电荷态调控（Bian et al., Nat. Commun. 12, 2457 (2021)）。在此基础上，江颖课题组进一步与杨森课题组合作，针对金刚石近表面电子自旋噪声，创新性地发展了一套基于针尖操纵的“拉出-推离”方法（Pull-and-Push Method）。该方法利用导电针尖的局域强电场在纳米尺度精准操纵电荷，在室温大气环境下实现了金刚石近表面电子自旋噪声的高效抑制，并大幅提升了浅层NV的相干性及其探测灵敏度。该方法对深度5 nm以内的NV尤为有效，其相干时间（T₂）最高可提升至20倍，探测灵敏度提升80倍左右，逼近单个质子核自旋的理论探测极限（图2）

图2 a和b：利用SPM针尖局域强电场操纵金刚石近表面电子自旋库的示意图（Pull-and-Push Method）；c：基于针尖操纵法实现了浅层NV色心相干性的大幅提升（T₂时间提升20倍）；d：相干性提升后的浅层NV色心探测灵敏度逼近单个质子；e：针尖操纵法对NV色心T₂时间的提升倍数统计。该方法对于深度5 nm以内的色心尤为有效

研究人员通过噪声谱分析，发现在针尖操纵下金刚石表面和亚表面的未成键电子均被有效耗尽。进一步，通过基于NV的核磁共振测量，在实验上验证了相干性提升后的浅层NV可以探测到金刚石体内的单个¹³C核自旋和体外的质子团簇核自旋，为实现基于浅层NV的纳米尺度核磁共振成像铺平了道路。该工作不仅为抑制浅层NV的退相干提供了全新的方法，有望突破其在量子传感领域的应用瓶颈，并可广泛适用于金刚石、碳化硅、氮化硼等多种材料中的固态量子比特体系。

北京大学江颖教授、边珂特聘副研究员和香港科技大学杨森教授是文章的共同通讯作者；北京大学博士后郑闻天和边珂是文章的共同第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、北京市政府、量子物质科学协同创新中心和北京大学轻元素先进材料研究中心的经费支持。

文章信息和链接：

W. Zheng, K. Bian*, X. Chen, Y. Shen, S. Zhang, R. Stöhr, A. Denisenko, J. Wrachtrup, S. Yang* and Y. Jiang*, Coherence enhancement of solid-state qubits by local manipulation of the electron spin bath, Nat. Phys. DOI: 10.1038/s41567-022-01719-4 (2022).  (https://www.nature.com/articles/s41567-022-01719-4)