古有神雕俠侶，今有 “量子俠侶”！

近日，Physics World 曝光了一對中國 “量子科研 CP”—— 石致富和代映秋。

其中，Physics World 編輯 Margaret Harris 還發推文表示，“希望這對 couple ‘相干超過一毫秒’”。

這對“量子俠侶”都是中國科學技術大學的 90 后物理博士生，他們既是戀人、也是同事。

最近還以 CP 身份完成一項研究，并以論文形式發表在《中國物理快報》上，論文標題為《超過一毫秒的分子量子位的自旋相干的實驗保護》（Experimental Protection of the Spin Coherence of a Molecular Qubit Exceeding a Millisecond）。

從 6.8 微秒 延長到 1.4 毫秒

本次研究的主要成果是，讓該量子比特的相干時間，從 6.8 微秒 延長到 1.4 毫秒，從理論上能支持 14.5 萬次基本邏輯運算，量子比特的 “品質因數” 也比此前報道數值提升了 40 倍。

40 倍能帶來哪些好處？

代映秋表示，相干時間是量子比特的基礎，也是量子計算比較重要的七個判斷標準之一，本次的 “14.5 萬次” 基本和目前較為熱門的體系持平，也證明了分子量子比特是一個很有潛力的量子計算候選體系。

此外，量子比特的 “品質因數”， 直接決定該體系是否有潛力實現將來量子計算的復雜運算，以領域內比較經典的超導研究為例，其 “品質因數” 是 8.5 萬次，離子阱數據則是 14 萬次。

概括來說，本次研究實現的自旋相干性，是分子量子位在量子信息處理中的關鍵步驟，并且非常具有挑戰性。

達到毫秒級的 “必殺技”：使用微波脈沖序列操控方法

研究中，石致富和代映秋把微波脈沖序列操控的方法，用在他們自己的磁性分子量子比特體系上。

相比傳統方法，該方法無需對分子進行特殊修飾，因此可保留其豐富的量子比特資源被利用的可能性。

圖 | 4 階 CPMG 動力學去偶序列得到的回波衰減圖（來源：Physics World）

之前，多是化學領域、或分子合成領域的學者在研究磁性分子，他們最想實現的是控制電子自旋周圍的一些噪聲。

通常在壓制噪聲上，化學領域學者會采用化學合成法，然后去改進它的分子結構，并減少周圍一些核自旋帶來的噪聲。

但對于物理學者來說，周圍核自旋也非常稀缺，要做量子計算肯定不能只用一個量子比特，他們肯定希望周圍有相互作用的自旋比特。

故此，使用微波脈沖序列操控的方法，可實現自身分子結構不會出現改變。如果不用微波脈沖序列操控的方法，只能用其他化學合成方法，也很難達到超過毫秒級的相干時間。

為延長相干時間，他們將過渡金屬配位化合物的電子自旋作為量子比特，在 X 波段脈沖式電子順磁共振譜儀 EPR100（下稱 EPR100）上使用微波脈沖序列，對分子量子比特的量子態進行 “翻轉”，最終實現在特定時間內、平均掉特定耦合產生的效果。

圖 | 不同階數的動力學去偶序列得到的相干時間譜圖（來源 ：Physics World）

關于這里的 “翻轉”，代映秋解釋稱，傳統比特是 0101 的狀態，量子比特的狀態除了 0 態和 1 態，還有一些疊加態，而疊加態的改變就叫 “翻轉”。

在物理里面的布洛赫球體模型中，從 0 態到 1 態的 “翻轉”，相當于從球體上面的南極到了北極，這樣就叫一次態的 180° 的 “翻轉”。

可在不影響身體機能下，做新磁成像治腦病

據悉，該研究成果可提高量子比特退相干時間，在量子傳感領域和磁性生物醫學成像可得到廣泛應用。

代映秋表示，在研究量子比特過程中，除把它用作量子計算以外，基本所有量子比特都在朝更廣泛的應用方向發展。

具體來說，磁性生物醫學成像是比較經典的應用，此前已有學者做出核磁體系的腦成像。

此外，心磁成像也是一個熱門應用，物理學家和醫學家都想在不影響患者身體機能的情況下，對心腦疾病進行研究。

而國儀量子也在開展微觀量子傳感技術的研發，比較核心的產品是基于金剛石的 NV 色心的精密量子測量儀器，可以測量單個分子、或單個蛋白等微觀結構也可做地磁、電網電流檢測的磁場探索。

工欲善其事，必先利其器

該研究始于 2015 年，立項原因是因為他們認為分子磁體是一個非常好的量子比特，并且此前物理領域內鮮有研究。而且，磁性分子中的電子自旋，已成為另一種量子位的可能性，與其他物理系統相比，這些分子量子位具有多個優點。

具體來說，分子磁體的能級結構比較豐富，不像傳統單個電子，可能只有兩能級，能級結構比較單一；而且，磁性分子的能級更豐富，因此也能做更復雜的量子計算研究。

啟動研究之時，他們實驗室也有一臺商用儀器，但是發現首先其脈沖個數無法滿足實驗要求，其次相位穩定性也不夠。

就在初始儀器上做出的結論來說，也不甚理想，當時他們把在儀器理想狀態下做出的數據，做以測試和分析后，發現結果中有錯誤，原因正由上述儀器導致。

后來，他們倆開始自制儀器并進行逐步改進，最終在 EPR100 上順利完成本次研究。

研究中用到的 EPR100，主要由石致富參與設計，也是中國首臺商用的 X 波段脈沖式電子順磁共振譜儀，對本次研究起著基礎支撐作用。

為實現商用，石致富帶領國儀量子的工程師，對 EPR100 的原理機做了兩處改進：

第一，改進了之前購買的進口商用譜儀的微波射頻，改進后脈沖個數比商用譜儀更多，脈沖穩定性、微波功率等硬指標都比商用譜儀更高。

第二，科研實驗經常要做創造性方案，使用商業譜儀有時會受到限制，因此科研人員有時不得不自己去開發軟件。為此，石致富特意提升了軟件穩定性，并將其集成到 EPR100 上。

相比進口產品，EPR100 從跟跑到并跑，目前一些指標上已經能做到領跑，也已成為清華大學、中國科學院青藏高原研究所等科研院所的研發 “利器”。2019 年 11 月，清華大學向該公司贈送的錦旗寫道：“解決了卡脖子問題，為我國儀器之表率”。

EPR100 除應用于科研之外，還可用于食品等工業領域。

以啤酒中啤酒花的光降解為例，大多數光化學反應，是通過作為中間產物的自由基進行的。

例如，在釀造過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。這會讓啤酒在受到光照后，形成自由基、并和硫化合物做結合，最終給啤酒帶來不愉快的味道和氣味。

而電子順磁共振譜儀正是它們的克星，因為電子順磁共振技術是目前唯一可以直接探測自由基的技術。啤酒在灌裝之前，經過電子順磁共振譜儀的 “體檢”， 便可保證口感的清冽。

實際上，EPR100 譜儀也已成為國內外企業科研平臺的常規設備儀器，食品、食用油、煙草及化妝品等行業的質控和檢測都有它的身影。

相識于實驗室，稱 “并無太多風花雪月”

據悉，石致富已于 2019 年加入國儀量子，目前擔任磁共振業務線副總監 ，代映秋則正在該公司實習，前者博士已經畢業，后者將于 2021 年下半年畢業。

畢業后，代映秋希望成為一名優秀的應用工程師，把 EPR100 的應用開發做得更好，成為工程師和科學家之間的橋梁。

她說：“比如在生物醫療領域，我希望盡可能收集和反饋這個科研方向對譜儀的需求，結合自身在磁共振領域的知識儲備，幫助科學家們用好這一技術，產出更多、更好的科研成果。“

談及在高校和在公司做科研的區別，石致富表示，校園科研更多是從 0 到 1 闖入知識的無人區，更重視先進性、創造性；而公司研發則更重視實用性、穩定性、可維護性。

石致富是山西人，生于 1990 年，比生于云南的代映秋大兩歲，他們此前是中科大同一個實驗室、同一個導師下面的師兄和師妹。

該校有一個傳統，讀到大三就要進入實驗室，做一些小的科研項目。等到代映秋大四做畢業設計時，石致富正在讀研一，進入實驗室的代映秋也因此結識對方。

實驗室里并沒有太多風花雪月，石致富說研一、研二時比較年輕，一天十幾個小時都泡在實驗室，因為天天做實驗待一起，也就像量子比特一樣 “糾纏” 了起來。

90 后已經進入而立之年，也正在成為科研界的主力軍之一，愛情屬于他們，科研更屬于他們。

原文標題：中國科大90后“量子俠侶”把量子比特相干時間從微秒延長至毫秒級！有望用于磁性醫學成像 | 專訪

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責任編輯：haq