金刚石中的氮-空位发光中心

量子计算技术最近几年取得了极大的进步，在诸多量子计算的候选系统中，金刚石中的氮-空位发光中心是最特殊的一个，因为用这个系统，高保真度的量子逻辑门可以在常温常压下实现。人们发现，金刚石中带有负电荷的氮-空位发光中心（色心）的电子自旋可以用532纳米的激光来进行极化。色心电子自旋量子数为1，在零磁场下，与之间的能级劈裂为2.87GHz，两个能级是简并的。虽然色心所发射的荧光光谱比较宽，从637纳米到800纳米都有分布，但是其零声子谱线是很窄的，在637纳米附近。荧光光谱的强度与色心的电子自旋状态有关系。因此，我们可以用滤波片过滤掉532纳米的激光，对剩下的色心发出的荧光进行探测，从而确定色心电子自旋的状态。某种程度而言，金刚石色心可以被看成是囚禁在金刚石晶格中的离子阱系统。

如何理解金刚石色心如此好的相干特性呢？首先，我们注意到，金刚石是地球上最坚硬的材料之一，它的德拜温度在1800开。因此，室温下金刚石中的声子谱密度是比较低的。这反映在色心的光谱上就可以看到谱线的红边带上有非常宽的分布，而蓝色边带上的光谱基本上是零。荧光落在零声子线上的比例大概是百分之一。正是由于红蓝边带的不平衡，我们可以用532纳米的激光来极化色心的电子自旋。金刚石中差不多百分之九十九的碳原子都是同位素碳12，它与色心之间不存在超精细结构耦合。只有剩下的百分之一的碳13会存在耦合，随机分布的核磁场会影响色心的相干特性。如果我们用同位素纯化技术获得碳12的纯度超过99.7%金刚石，其中的色心电子自旋在室温下的相干时间就可以超过一毫秒。

如果色心附近有几个碳13核自旋，那么我们可以通过外加的射频信号和微波信号调控电子与核自旋，进而实现通用的量子逻辑门。到目前为止，保真度最高的逻辑门已经超过了99.9%。我们知道，要实现可纠错的量子计算，最少也得5个量子比特。因此我们需要至少4个核自旋与同一个色心电子自旋耦合起来。这对实验是极大的挑战。我们也可以用离子注入的办法来精确的控制色心的位置，实现相邻两个色心之间的有效耦合。但此时色心的间距在十纳米的量级，通过激光来区分不同的色心就很难了。要更高效的耦合金刚石色心，同时又能确保色心能够被独立的读出，我们需要新的方法。

让金刚石色心的量子计算变得容易扩展，不是一件很容易的事情。这里我介绍几个人们正在尝试的方法。

最直接的办法，就是在金刚石中，人工制备出金刚石色心的阵列，色心之间的间距在几十纳米的量级，这样利用色心之间的偶极相互作用，来实现可扩展的量子信息处理。虽然这个办法说起来很清晰明了，可是实现起来非常的难，需要解决诸多技术问题。比如说，如何保证金刚石色心的频率和取向全都是一样的，间距也是是均匀的。 如何保证人工制备出来的色心相干时间足够长等等。通常人们是用离子注入的办法来控制色心的间距的。可是这种注入的色心会引起晶格的畸变，降低其相干特性。必须再经历高温退火，让晶格畸变消除掉。

为了绕开这些技术问题，可以选择用光子作为媒介来耦合遥远的金刚石色心。总的出发点是，做出一个接口器件，能够把金刚石色心与可以飞行的光子量子比特耦合起来，进而实现多个金刚石色心之间的相互交流。金刚石色心既可以发射出637nm的零声子线光子，也可以与2.87GHZ附近的微波光子耦合。如果用光学光子作为飞行量子比特来连接遥远的金刚石色心，所遇到的问题在于，发光效率低，光子收集效率也不高。最终的成功率就非常低。要改进这个技术，需要把色心放入光学腔中，同时也要放置在10K以下的低温环境中，提升光子的收集效率和零声子线的辐射功率。

当然，我们也可以把金刚石色心与超导电路耦合起来，利用超导电路来耦合遥远的金刚石色心。不过此时所需要的环境温度更低，在10mK左右，而单个微波光子与单个色心之间的耦合是很弱的，只能用多个色心集体与超导电路耦合，才能有效的增强这个效应。可是这同时又会引入金刚石色心系综的频谱非均匀展宽问题。换句话说，这多个金刚石色心的频率并不是完全一样的，它们周围可能有残余的应力，细微的改变了它们的频率，或者它们周围的核磁场也有涨落。要解决这个问题，就不得不对色心系综做自旋回波等技术。

最后一种正在发展中的办法，是用声子作为媒介耦合多个金刚石色心。金刚石色心的频率是受晶格应力的调制的。而声子正好可以改变应力，进而与色心耦合起来。从原理上来说，比较高频率的的声子，其波长可以在微米大小。因此用声子晶体波段传播，具有很好的方向性，有可能实现对单个色心的单独调控。应力与金刚石色心的基态电子自旋耦合很微弱，所以有人发展出新的技术，让色心的激发态与应力声子耦合，其耦合强度能够提升好几个量级。我们也可以用纳米磁头产生很强的局域梯度磁场，引起金刚石色心与其机械运动的耦合，进而实现量子调控和量子信息处理。

综合看起来，为了解决金刚石色心扩展的问题，我们似乎又引入了更多的问题。这正是学术发展的常态。问题总是层出不穷，总得不断的发展，在发展中来解决问题。

2017开始了

18年前，1999年，我十七岁，参加高考，遇到了《假如记忆可以移植》这个作文题。当时的我，并没有给出很好的答案。这道题一直留在我心中，有意无意间，我用了十七年对物理学的求索来解这道题，终于在写了一篇量子隐形传输细菌内部状态（记忆）的论文，侧面回答了这道题。这对于我，是一种人生的圆满。

1999年，我十七岁，开始了自己独立的大学生活。离开家门前，与亲戚们一起吃饭，还记得曾经被告诫说不要参加学生运动，要老老实实读书。老一辈人被各种运动搞怕了，可以理解。现实是，这十几年，运动再也没有了，我老老实实地集中精力念书，学习和工作。

政治运动没有了，商业氛围却是越来越多。还记得，那年的跨年夜，我与大学同学们一起去西安城里，钟楼附近北大街上看烟花，参加庆祝活动。直到深夜，最后一班公交车都结束了。我们坐上政府临时征集的公交车，回到了交大北门，然后翻越大门回的学校。千禧年开始了，我也十八岁了。还记得当时各种世界末日的传言，电脑系统也有千年虫的警告。最终证明都是谣言。就这样，甩开了各种谣言和喧嚣，带着对新世界的好奇与野心我开始了自己的成年生活。从十七岁离开家乡，到现在，我在外地的时间已经超过了在家乡生活的时间。这十七年我学习，拿学位，工作，结婚生子，一切都是按部就班。可同时也在四处的漂泊，在很多城市生活过：西安，美国安娜堡，武汉，合肥，北京。我的经历已经远远超出了在家乡那些年。每隔一段时间回到家乡，发现家乡也在缓慢的变化，于是我再也回不去记忆中的家乡了。

十七岁离家，是我的”第二次出生”。从那时候起到现在，2017年，我又一次成年了。2017对于我的意义也就在于此。