來源：《中國科學報》第1版 要聞

　　發布時間：2022-12-22

　　■本報見習記者 孫丹寧

　　量子，來源于拉丁語的quantus，意為“有多少”。一個物理量如果有最小的單元而不可連續分割，就說這個物理量是量子化的。通俗來說，量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

　　自普朗克提出這一概念以來，絕大多數物理學家將量子力學視為理解和描述自然的基本理論，量子也因其神秘性成為微觀世界探索的首站，獲得了廣泛關注。

　　最近，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）研究員吳凱豐團隊在量子點自旋光物理研究中取得了重要進展。他們在國際上率先實現了室溫下對低成本溶液法制備的膠體量子點的自旋相干操控，對量子信息技術的發展具有重要意義。相關研究成果12月20日發表于《自然-納米技術》，第一作者是大連化物所博士生藺煦陽和畢業生韓瑤瑤博士。

　　量子信息技術及其載體

　　說到量子研究中的關鍵一環，不得不提起量子信息技術。它指的是以微觀粒子（或準粒子）的量子態表示信息，并利用量子力學原理進行信息存儲、傳輸和處理的技術。量子信息技術包括量子通信、量子計算和量子傳感等。量子通信在原理上能提供一種不能破解、不能竊聽的安全的信息傳輸方式；而量子計算的速度有望比常規計算機快多個數量級，可以用來解決許多高難度問題。

　　對固態材料中的自旋量子比特進行相干操控，是實現量子信息技術的重要途徑之一。

　　“理論來說，量子比特不像傳統的信息開關那樣只有0和1兩個點，而是0和1相干疊加態中的任何一個態?！眳莿P豐對《中國科學報》解釋道。

　　吳凱豐隨后擺出了一個類似地球的布洛赫球模型，就像“地理老師”一樣，開始對量子比特的“來龍去脈”進行深層次講解。

　　“如果用一個布洛赫球展示，量子比特不再是上下兩個頂點，而可以是球面上的任意一點，所以基于量子比特的信息處理有望顯著快于傳統經典比特。這也是量子信息技術廣受關注的原因之一?！眳莿P豐說，“量子比特需要找到合適的載體，且保持較長壽命的量子相干。在此基礎上，通過物理手段在布洛赫球面上能將量子比特操控至任意一點，就能實現量子信息處理了?！?/p>

　　但是，當提到用于量子信息處理的載體時，人們通常想到的是使用最尖端的技術制造材料，并且在非常冷的溫度下操作，比如外延生長量子點以及類似金剛石色心的“點缺陷”材料。但是外延生長量子點的制備工藝復雜、造價昂貴。并且，布洛赫球面上的相干態在室溫條件下非常脆弱，很容易從球面“退”回球心，其自旋操控一般需要在液氦溫度（-268.9攝氏度）以下進行。而“點缺陷”自旋材料價格高，規?；煽刂苽淠壳懊媾R巨大的挑戰。

　　因此，若能在室溫下實現低成本材料的自旋相干操控，將對量子信息技術發展產生深遠影響。

　　“煮”出一鍋量子點溶液

　　量子研究一直以來被物理學家視若珍寶，而化學背景出身的吳凱豐卻闖入了這個神秘的領域。

　　憑借著良好的化學基礎，吳凱豐設想：“如果在室溫下的化學溶液中找到與價格昂貴的‘點缺陷’材料可比擬的量子點，那么難題將迎刃而解?！彼膱F隊想把化學和物理的有關知識“合二為一”。

　　吳凱豐團隊立馬開始細心籌備，準備“煮”出一鍋化學溶液。這鍋溶液可不簡單，除了成本低外，它的主要目的就是在室溫下實現量子點自旋相干操控。膠體量子點就成為了這鍋溶液的關鍵“調味劑”。

　　它是在溶液中制造的微小的半導體納米粒子，可以在溶液中以低成本大量合成，但在尺寸和形狀控制方面卻非常精細。除此之外，它們有很強的限域效應，光電、自旋等性質精準可調。尤其是近年來興起的鉛鹵鈣鈦礦量子點，其旋軌耦合效應特別有利于通過光學方法高效注入自旋極化，同時其強烈的光-物質相互作用可促進自旋的光學相干操控。

　　隨后，考慮到量子點中的電子-空穴交換作用導致了復雜的激子裂分及光學取向行為，研究團隊創新性地制備了鈣鈦礦量子點的單空穴自旋極化態，通過在CsPbBr3量子點表面化學修飾蒽醌分子，可在亞皮秒尺度捕獲量子點的光生電子，猝滅電子-空穴交換作用，在室溫下得到百皮秒量級的空穴自旋。

　　至此，團隊成功證明了在溶液里長出的材料也可以成為量子自旋的良好生存環境。

　　室溫下操控自旋

　　確定好載體后，吳凱豐等人最關心的事情就是如何實現超快的量子態相干操控。他們想到了研究室的“看家本領”——飛秒激光超快光譜。

　　當上述產生的空穴圍繞中軸磁場轉動時，通常只能沿著布洛赫球面的赤道方向，并不能到達球面上任意一點。而通過圓偏振飛秒激光照射，在球體上奇妙地形成了另一個磁場——贗磁場，其方向也隨著光照射的方向發生改變。借助這兩種磁場，自旋態可以“跑”遍球面上的任意點，從而實現了全量子態的相干操控。

　　考慮到自旋相干壽命在百皮秒量級，借助百飛秒（約為0.1皮秒）級的激光脈沖，研究人員在自旋退相干之前原則上可開展上千次有效操控。

　　“各學科深度交叉融合，是我們這一工作成功的關鍵。我們能夠實現膠體量子點的精準化學合成，還能夠按需調控它的材料物性，最后我們將量子態相干操控的物理方法成功運用于該體系?！眳莿P豐說。

　　該工作展示了在室溫下可以采用低成本溶液法制備的膠體量子點進行量子比特操控，在量子信息科學、超快光學相干操控等領域具有重要意義。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01279-x

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