由准自由电子自旋介导的核自旋寄存器中的双体纠缠

为什么钻石中的微小自旋很重要

未来的量子计算机和量子网络需要可靠的“存储位”，在光子将信息在远端设备之间传输时，能够保存脆弱的量子信息。本研究展示了如何在钻石晶体中构建并操控这样的微小存储单元——由少数核自旋（原子核中的微小磁矩）组成，并由单个电子来驱动。工作演示了该微型存储器可以被纠缠——其各部分以强烈的量子方式相互关联——所用方法在相对简单的实验条件下即可实现，且可适配多种固态量子器件。

钻石内的小型量子枢纽

研究者使用一种称为硅空位中心的特殊钻石缺陷。在该位点，硅原子和碳晶格中的两个空位困住了一个额外电子。由于纳米钻石承受很高的机械应变，电子的运动与其内部磁性几乎解耦，因此电子表现得像一个近乎自由的自旋。这个“准自由”电子自旋易于用微波控制并能与光子耦合，使其成为出色的通信比特——负责与外界通信的元件——而附近的碳核则充当寿命更长的存储比特。

用核自旋构建小型量子存储

在缺陷周围，一些碳原子是稀有的13C同位素，其原子核具有磁矩，能够存储量子信息。团队识别出三个强耦合的核自旋，它们形成一个完全联通的三比特寄存器，外加第四个耦合较弱的自旋。他们首先通过施加精确定时的微波脉冲序列并观察电子相干性的衰减或复苏，绘制出这些核与电子的相互作用图谱。随后，通过将对电子的连续保护与低功率的微波和射频脉冲相结合，他们能够直接定址每个核自旋、翻转其状态并测量它，从而将这一簇核自旋变为可控的量子比特集合。

保持量子信息存活

固态量子体系的一个主要挑战是来自环境的噪声，会迅速破坏脆弱的量子态。在这里，强应变使电子对晶格振动不那么敏感，显著将其寿命延长到数百毫秒——大约比相关的、应变较小的器件好一千倍。团队采用称为动力学去耦和连续驱动的方法，进一步保护电子免受波动磁场的影响。同时，核自旋本身表现出几毫秒的相干时间，并且相互之间的相互作用极弱但可测，耦合强度仅为每秒几次振荡。这种“健壮的、善于通信的”电子与非常稳定的核的组合，非常适合构建能够光学访问的小型量子存储。

在不损耗电子的情况下连接核自旋

要将三比特寄存器变成有用的量子资源，至少需要使其中两个核自旋纠缠。标准方案在电子处于脆弱的叠加态时由其介导纠缠，这会使体系容易受到电子退相干和不期望耦合的影响。作者采用了一种几何技巧：当电子在其态空间中被驱动完成一整圈时，它会累积一个仅依赖于路径而非时间细节的相位。通过调整驱动，使得这个闭合路径仅在核处于特定联合配置时发生，他们实现了对核自旋的条件相位门，而电子最终回到其初始态。结合简单的旋转操作，这就能在两个核之间产生贝尔态——一个纠缠对，其保真度接近由微波脉冲与读出技术缺陷所限定的上限。

这对未来量子网络意味着什么

该研究表明，一直被认为不如某些替代方案方便的自旋-1/2电子缺陷，实际上可以承载高质量的多比特核寄存器，并通过稳健的几何效应介导纠缠。由于该方法主要依赖寿命更长的核自旋，而不是要求电子保持完全静默，它可以迁移到其他将光与自旋耦合的固态平台。随着对控制脉冲、光子收集和器件集成的进一步改进，基于钻石的此类寄存器有望成为远距离量子通信与网络化量子计算核心的纠错量子存储单元。

引用: Klotz, M., Tangemann, A., Opferkuch, D. et al. Bipartite entanglement in a nuclear spin register mediated by a quasi-free electron spin. Nat Commun 17, 2325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70154-3

关键词: 量子网络, 自旋量子比特, 钻石色心, 核自旋纠缠, 量子存储