文章来源：中科院半导体研究所

在中科院半导体所超晶格国家重点实验室李树深院士的研究组中，博士生马稳龙与香港中文大学刘仁保教授、北京计算科学中心赵楠研究员合作，在Si:P系统量子比特的退相干研究方面取得了重要的理论发现，并被英国伦敦大学John J.L. Morton教授的实验组所证实，理论和实验的工作一起发表在Nature子刊系列《自然·通讯》上（http://www.nature.com/ncomms/2014/140910/ncomms5822/full/ncomms5822.html）。 

　　与经典计算机中的比特对应，量子比特是存储量子信息的基本单位。量子计算机的核心是利用量子力学中的相干性，而量子比特与环境耦合导致的退相干是实现量子计算的主要阻碍之一。但是，近些年的研究发现，量子比特的退相干过程包含了环境中的重要信息，因此可以作为一种探测环境性质的有效手段， 例如利用自旋比特退相干去探测单个核自旋以及多体系统的相变过程等。 

　　在基于自旋的量子计算中，利用Si中的杂质电子自旋作为量子比特有很多独特的优势，包括与传统半导体工艺兼容和较长的量子比特相干时间等。Si中的P杂质（Si:P）是被广泛研究的一种体系。在低温Si:P系统中，自旋退相干主要是由P电子自旋与²⁹Si核自旋之间的耦合引起的。动力学解耦是抑制自旋退相干的一个有效手段，它主要是通过一系列在特定时间点电子自旋施加的翻转脉冲来有效地抑制自旋比特与环境的耦合。 

　　在对Si:P系统的P电子自旋退相干研究中，李树深的研究组和合作者们发现，通过调整动力学解耦脉冲数量的奇偶性，可以分别探测到²⁹Si核自旋之间不同的多体关联。当动力学解耦的脉冲数量为奇数时，自旋退相干主要是由核自旋之间的二阶关联（两体作用）引起的；而当动力学解耦的脉冲数量为偶数时，自旋退相干主要是核自旋之间的四阶关联（三体关联和四体关联）引起的。 

　　这一重要发现不仅是自旋退相干理论研究的一个突破进展，而且为探测纳米尺度环境中的多体过程提供了一种可能方案，并可能在鉴定分子结构和固体缺陷性质方面获得重要的应用。 

　　该工作得到了科技部国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委的支持。 

　　图1. (a) 利用P杂质电子自旋退相干来探测²⁹Si核自旋之间的多体关联；(b) 核自旋的二阶关联和四阶关联的费曼图。