量子态稳定性是量子信息科学的核心挑战之一，对量子计算、量子通信和量子传感等技术的实现至关重要。量子态在操作和环境影响下易于退相干和信息丢失，因此，延长退相干时间、优化量子纠错、改进环境隔离和选择优质材料等方法成为提升量子态稳定性的关键。

剑桥大学卡文迪许实验室的科学家在常温条件下发现了六方氮化硼（hBN）的自旋相干性，为量子技术的应用提供了新的前景。该项研究成果于5月20日以”A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions“的题目发表在《自然-材料》（nature materials）杂志上。该项目由卡文迪许实验室负责人Mete Atatüre所领导。

作者简介

该论文由十三个作者共同完成，其中通讯作者为Hannah L. Stern和Mete Atatüre。

Hannah Stern博士来自新西兰，在卡文迪许实验室工作，该实验室隶属于由Mete Atature领导的量子光学小组。之前，Hannah致力于研究广泛应用于需要单光子的量子应用的二维宽禁带材料中的局域激发。近期，她对研究六方氮化硼中光初始化自旋的存在以及该技术的潜在量子应用产生了兴趣。

Mete Atatüre是一位土耳其物理学家，专注于实验固态量子光学领域，特别是在量子网络中光控制自旋-光子耦合以及在原子薄异质结构中研究多体物理，旨在开发新材料和设备用于量子传感应用。

他目前领导着剑桥大学的量子光学材料与系统（QOMS）小组，拥有约30名博士生和研究人员。他也是剑桥大学衍生公司Nu Quantum Ltd.的联合创始人和首席科学官，自2023年10月起，他担任卡文迪许实验室的负责人。

自旋相干性

自旋相干性（spin coherence）是指量子系统中自旋态能够维持其相干性的能力，即在不受外界干扰或噪声影响下保持叠加态和量子相干性的时间。

相干时间（T2）是衡量自旋相干性的重要指标，延长相干时间可以提高量子信息处理的精度和稳定性。退相干机制、材料选择、环境隔离和量子控制技术是提升自旋相干性的关键因素。例如，具有良好量子特性的材料（如金刚石中的氮空位中心和六方氮化硼中的原子缺陷）能够实现较长的自旋相干时间。

自旋相干性研究不仅对基础量子物理学具有重要意义，还在实用量子技术的开发中发挥关键作用，通过提高自旋相干性，可以实现更稳定和高效的量子计算机、更灵敏的量子传感器和更安全的量子通信系统。因此，探索和提升自旋相干性的研究具有广阔的前景和深远的影响。

在量子科技的快速发展中，自旋相干性的研究至关重要，它关系到量子信息处理的精度和稳定性。先前已经有过一些团队展开过研究。2022年，中国科学院大连化学物理研究所光电材料动力学研究组（1121组）吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得重要进展，率先实现了室温下对低成本溶液法制备的胶体量子点的自旋相干操控，为提高自旋相干性提供了新的途径。

在中国科学院大连化学物理研究所取得的这一重要进展之后，量子点自旋相干性的研究领域迎来了新的突破。紧接着，2024年，剑桥大学卡文迪许实验室的科学家们在常温条件下发现了六方氮化硼（hBN）的自旋相干性，这一发现不仅证明了自旋相干性研究的广泛适用性，也标志着量子技术在材料科学领域的又一次飞跃。

六方氮化硼的特性

六方氮化硼（hBN）是一种超薄材料，由堆叠的单原子厚层组成。这些层通过分子之间的力结合在一起。但有时，这些层中存在“原子缺陷”，类似于晶体中有分子被困住。这些缺陷可以在可见光范围内吸收和发射光，并具有明确的光学跃迁，并且它们可以充当电子的局部陷阱。由于hBN中的这些“原子缺陷”，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为。他们可以研究电子的自旋性质，自旋使得电子能够与磁场相互作用。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用光控制和操纵这些缺陷中的电子自旋。这一发现为未来的技术应用铺平了道路，特别是在传感技术方面。

论文简述

这篇文章的研究成果是在六方氮化硼（hexagonal boron nitride, hBN）这种层状范德瓦尔斯材料中，在室温和环境条件下实现了对单个光子发射缺陷自旋的量子相干控制。研究人员们识别出与碳相关的缺陷具有自旋三重态的电子基态能级结构。他们展示了通过耦合到仅几个近邻核以及通过解耦协议，可以延长自旋相干时间。这项研究提供了一个新平台，用于在室温下实现与多量子比特量子寄存器或量子传感器耦合的自旋量子比特，具有纳米尺度样品接近性。

图：自选相干性和保护

文章还讨论了在hBN中扩展自旋缺陷的相干时间可以促进更高级的量子比特控制和量子传感应用。

研究团队在室温下对单个可寻址的单光子发射缺陷进行了量子相干自旋控制实验，揭示了具有1.96 GHz零场分裂的自旋三重态（S=1）基态自旋流形。他们观察到，缺陷的主要对称轴位于hBN层的平面内，表明具有低对称性化学结构。通过基于微波的拉姆齐干涉测量，发现了一个非均匀退相干时间T2*约为100纳秒。有趣的是，在室温下，无磁场条件下，连续驱动的自旋Rabi相干时间（TRabi）可以延长到1微秒以上。这种驱动延长的相干时间表明，电子自旋可以受到保护，免受其可逆退相干环境（核）的影响。通过标准的动态解耦脉冲协议，研究人员们证实了这一点，得到的自旋回波相干时间（TSE）约为200纳秒，使用十个重聚焦脉冲时，TSE超过了1微秒。相干时间与解耦脉冲数量的缩放，以及ODMR信号的精细结构表明，与仅有几个不等价的氮和硼核存在超精细耦合。

图：ODMR谱图中的超精细特征

这项研究的结果对于实现量子网络和传感器具有重要意义，因为它们展示了在室温和环境条件下，使用hBN这种可扩展材料平台实现长寿命自旋相干和高效、相干的光学转换的可能性。

“与这个系统一起工作让我们意识到了材料基础研究的力量。对于六方氮化硼系统而言，作为一个领域，我们可以利用其他新材料平台中的激发态动力学，用于未来量子技术。”该论文的第一作者Hannah Stern博士说。

该项目负责人、卡文迪什实验室负责人Mete Atatüre教授总结道：“每个新的有前景的系统都将拓宽可用材料的工具库，每向这个方向迈出的每一步都将推动可扩展实现量子技术。这些结果证实了层状材料在实现这些目标方面的潜力。”

未来，研究人员正在考虑进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信的许多不同方向。

卡文迪许实验室

卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）是剑桥大学的物理系，研究领域包括了天体物理学、粒子物理学、固体物理学、生物物理学。由英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1871年创立，1874年建成实验室，以英国物理学家和化学家亨利·卡文迪什的名字命名。目前负责人为Mete Atatüre，他也领导着剑桥大学的量子光学材料与系统（QOMS）小组。

卡文迪许实验室在量子领域取得了多项重要成就，包括在量子计算和量子信息方面的贡献，通过开发高度可控的量子比特系统实现了量子比特之间的相互作用和量子门操作；在超导量子技术领域设计和制备了高性能的超导量子比特系统，并实现了长距离的量子态传输；在量子物质研究方面，探索了量子材料的新奇性质和潜在应用，包括拓扑绝缘体和量子自旋液体；此外，还在量子传感领域开发了高灵敏度的传感器。这些成就为推动量子科学和技术的发展作出了重要贡献。

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