來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第1版 要聞
發(fā)布時(shí)間：2022-12-22
■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 孫丹寧
量子，來(lái)源于拉丁語(yǔ)的quantus，意為“有多少”。一個(gè)物理量如果有最小的單元而不可連續(xù)分割，就說(shuō)這個(gè)物理量是量子化的。通俗來(lái)說(shuō)，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。
自普朗克提出這一概念以來(lái)，絕大多數(shù)物理學(xué)家將量子力學(xué)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(guān)注。
最近，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱大連化物所）研究員吳凱豐團(tuán)隊(duì)在量子點(diǎn)自旋光物理研究中取得了重要進(jìn)展。他們?cè)趪?guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì)低成本溶液法制備的膠體量子點(diǎn)的自旋相干操控，對(duì)量子信息技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)研究成果12月20日發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》，第一作者是大連化物所博士生藺煦陽(yáng)和畢業(yè)生韓瑤瑤博士。
量子信息技術(shù)及其載體
說(shuō)到量子研究中的關(guān)鍵一環(huán)，不得不提起量子信息技術(shù)。它指的是以微觀粒子（或準(zhǔn)粒子）的量子態(tài)表示信息，并利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息存儲(chǔ)、傳輸和處理的技術(shù)。量子信息技術(shù)包括量子通信、量子計(jì)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(tīng)的安全的信息傳輸方式；而量子計(jì)算的速度有望比常規(guī)計(jì)算機(jī)快多個(gè)數(shù)量級(jí)，可以用來(lái)解決許多高難度問(wèn)題。
對(duì)固態(tài)材料中的自旋量子比特進(jìn)行相干操控，是實(shí)現(xiàn)量子信息技術(shù)的重要途徑之一。
“理論來(lái)說(shuō)，量子比特不像傳統(tǒng)的信息開(kāi)關(guān)那樣只有0和1兩個(gè)點(diǎn)，而是0和1相干疊加態(tài)中的任何一個(gè)態(tài)?！眳莿P豐對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道。
吳凱豐隨后擺出了一個(gè)類似地球的布洛赫球模型，就像“地理老師”一樣，開(kāi)始對(duì)量子比特的“來(lái)龍去脈”進(jìn)行深層次講解。
“如果用一個(gè)布洛赫球展示，量子比特不再是上下兩個(gè)頂點(diǎn)，而可以是球面上的任意一點(diǎn)，所以基于量子比特的信息處理有望顯著快于傳統(tǒng)經(jīng)典比特。這也是量子信息技術(shù)廣受關(guān)注的原因之一?！眳莿P豐說(shuō)，“量子比特需要找到合適的載體，且保持較長(zhǎng)壽命的量子相干。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)物理手段在布洛赫球面上能將量子比特操控至任意一點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)量子信息處理了?！?/p>
但是，當(dāng)提到用于量子信息處理的載體時(shí)，人們通常想到的是使用最尖端的技術(shù)制造材料，并且在非常冷的溫度下操作，比如外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)以及類似金剛石色心的“點(diǎn)缺陷”材料。但是外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)的制備工藝復(fù)雜、造價(jià)昂貴。并且，布洛赫球面上的相干態(tài)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(jìn)行。而“點(diǎn)缺陷”自旋材料價(jià)格高，規(guī)?；煽刂苽淠壳懊媾R巨大的挑戰(zhàn)。
因此，若能在室溫下實(shí)現(xiàn)低成本材料的自旋相干操控，將對(duì)量子信息技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
“煮”出一鍋量子點(diǎn)溶液
量子研究一直以來(lái)被物理學(xué)家視若珍寶，而化學(xué)背景出身的吳凱豐卻闖入了這個(gè)神秘的領(lǐng)域。
憑借著良好的化學(xué)基礎(chǔ)，吳凱豐設(shè)想：“如果在室溫下的化學(xué)溶液中找到與價(jià)格昂貴的‘點(diǎn)缺陷’材料可比擬的量子點(diǎn)，那么難題將迎刃而解。”他的團(tuán)隊(duì)想把化學(xué)和物理的有關(guān)知識(shí)“合二為一”。
吳凱豐團(tuán)隊(duì)立馬開(kāi)始細(xì)心籌備，準(zhǔn)備“煮”出一鍋化學(xué)溶液。這鍋溶液可不簡(jiǎn)單，除了成本低外，它的主要目的就是在室溫下實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)自旋相干操控。膠體量子點(diǎn)就成為了這鍋溶液的關(guān)鍵“調(diào)味劑”。
它是在溶液中制造的微小的半導(dǎo)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(xì)。除此之外，它們有很強(qiáng)的限域效應(yīng)，光電、自旋等性質(zhì)精準(zhǔn)可調(diào)。尤其是近年來(lái)興起的鉛鹵鈣鈦礦量子點(diǎn)，其旋軌耦合效應(yīng)特別有利于通過(guò)光學(xué)方法高效注入自旋極化，同時(shí)其強(qiáng)烈的光-物質(zhì)相互作用可促進(jìn)自旋的光學(xué)相干操控。
隨后，考慮到量子點(diǎn)中的電子-空穴交換作用導(dǎo)致了復(fù)雜的激子裂分及光學(xué)取向行為，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地制備了鈣鈦礦量子點(diǎn)的單空穴自旋極化態(tài)，通過(guò)在CsPbBr3量子點(diǎn)表面化學(xué)修飾蒽醌分子，可在亞皮秒尺度捕獲量子點(diǎn)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(jí)的空穴自旋。
至此，團(tuán)隊(duì)成功證明了在溶液里長(zhǎng)出的材料也可以成為量子自旋的良好生存環(huán)境。
室溫下操控自旋
確定好載體后，吳凱豐等人最關(guān)心的事情就是如何實(shí)現(xiàn)超快的量子態(tài)相干操控。他們想到了研究室的“看家本領(lǐng)”——飛秒激光超快光譜。
當(dāng)上述產(chǎn)生的空穴圍繞中軸磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通常只能沿著布洛赫球面的赤道方向，并不能到達(dá)球面上任意一點(diǎn)。而通過(guò)圓偏振飛秒激光照射，在球體上奇妙地形成了另一個(gè)磁場(chǎng)——贗磁場(chǎng)，其方向也隨著光照射的方向發(fā)生改變。借助這兩種磁場(chǎng)，自旋態(tài)可以“跑”遍球面上的任意點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了全量子態(tài)的相干操控。
考慮到自旋相干壽命在百皮秒量級(jí)，借助百飛秒（約為0.1皮秒）級(jí)的激光脈沖，研究人員在自旋退相干之前原則上可開(kāi)展上千次有效操控。
“各學(xué)科深度交叉融合，是我們這一工作成功的關(guān)鍵。我們能夠?qū)崿F(xiàn)膠體量子點(diǎn)的精準(zhǔn)化學(xué)合成，還能夠按需調(diào)控它的材料物性，最后我們將量子態(tài)相干操控的物理方法成功運(yùn)用于該體系。”吳凱豐說(shuō)。
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(diǎn)進(jìn)行量子比特操控，在量子信息科學(xué)、超快光學(xué)相干操控等領(lǐng)域具有重要意義。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01279-x
以下是該媒體報(bào)道地址：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/12/372471.shtm
