中国科学技术大学突破固态电子自旋相干时间极限 实现室温下最长相干时间

近日，中国科学技术大学的研究团队在量子科技领域取得了一项重大突破。他们成功地在室温下实现了单电子自旋系统的最长相干时间，打破了之前固态电子自旋相干时间的经验极限。这一成果不仅提升了室温固态量子系统的性能，也为未来量子计算和量子通信等领域的发展奠定了重要基础。

该研究团队来自中国科学院微观磁共振重点实验室，他们通过对高纯金刚石量子材料的深入研究，揭示了固态自旋系统中的一项全新噪声机制，这项国际领先的研究工作已于3月1日在线发表在《科学进展》上，题为“Solid-state spin coherence time approaching the physical limit”。在此项研究中，团队不仅成功改进了金刚石量子系统的制备工艺，还发展了固态自旋系统的噪声全频谱表征技术，从而有助于深入理解自旋-晶格相互作用。

电子自旋相干时间的提高是量子技术进步的重要指标。过去几十年间，科研人员在材料合成和噪声抑制技术上取得了显著的进展，但电子自旋相干时间依然处于T2=T1/2的经验极限之下，未能达到量子系统热耗散所决定的物理极限T2=2T1。这种现象的内在物理机制一直未得到足够的理解，制约了固态量子系统的进一步发展。

为了解决这个难题，研究团队对金刚石中的单自旋系统进行了深入的探讨，他们的研究揭示了一种新型噪声谱，打破了原先科学界对固态自旋相干时间限制因素的传统认识。具体而言，研究发现非局域自旋-晶格相互作用是导致电子自旋相干时间受限的主要原因，而之前普遍认为局域自旋-晶格相互作用是主导机制的观点亟待修正。通过对新噪声机制的研究，团队成功开发出新的噪声抑制技术，最终使金刚石单自旋量子系统的相干时间首次突破了经验极限，接近了物理极限，达到了4.34毫秒的新的最长记录。

在实验中，研究小组利用弛豫谱探测技术发现了新的噪声机制。通过对金刚石NV色心能级的示意图分析，以及MHz-GHz频段的宽频谱弛豫探测技术的应用，他们能够详细描绘出自旋态弛豫曲线和低于1MHz范围内的新噪声。这项技术的成功应用表明，未来研究者可以利用该工具探索固态材料内部复杂的相互作用机制。

研究团队的发现揭示了不同频谱下的噪声构成，包括自旋-自旋噪声、传统自旋晶格弛豫噪声，以及新发现的非局域自旋-晶格噪声。这种综合性的噪声机制为超长相干时间的实现提供了重要的理论支持。同时，通过精确调控动力学解耦技术，研究团队还探讨了相干时间与不同解耦阶数之间的关系，进一步证实了相干过程中的多种因素的影响。

此次研究不仅在理论层面上深化了对固态自旋系统的理解，也在实际应用中展现了极大的潜力。改进的制备技术和噪声全频谱表征方法将为优化各种固态量子系统提供必要的指导，有助于推动量子技术在更广泛领域的应用。在量子通信、量子计算及量子传感等前沿科技的应用背景下，这项成果是一次具有里程碑意义的进展。

未来，团队将继续深入研究固态量子系统中的各种相互作用机制，探索更多可能导致相干时间延长的新技术与材料。此次成果展示了中国科研在量子科学研究中的强大实力，预示着中国在全球量子科技竞赛中的重要地位，势必将对全球量子技术的发展产生深远影响。

中国科学技术大学的这一重要研究成果为固态量子系统的未来发展提供了新的方向，设定了新的标杆，同时也为量子科技的应用普及铺平了道路。随之而来的将是更多的科学发现和技术突破，为人类探索未知的量子世界开辟出崭新的可能性。

如需了解更多关于该研究的详细信息，请访问相关论文链接：[论文链接](https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9298)。