图1：（左）碳化硅晶体结构（硅原子显示为金色，碳原子显示为银色）可以制备不同形态的缺陷，称之为色心。图中显示的色心，包含一个硅位空缺和一个碳位空缺。色心吸引电子（绿色）进入，电子与临近的硅原子核具有很强的超精细相互作用，硅原子核的自旋起初是非极化的。（右）利用可见光进行照射之后，色心中的电子自旋被极化。通过仔细调控外部磁场，这一极化可以流向临近的原子核自旋。

量子计算机以及其他一些量子信息处理元件，例如仿真装置，传感器，或者信道，都可以保证我们获得经典系统无法达到的效果。但不幸的是，用以存储信息的量子比特通常都很脆弱，也难以控制，从而极大阻碍了该领域的发展。很多量子比特的候选者都有关联时间太短的问题，因为它们很难不与周围环境发生相互作用。基于这一点，自旋为1/2的原子核或许是比较吸引人的量子比特系统，因为这种原子核对引起退相干的外部自由度比较不敏感。然而，不敏感的特性也意味着我们难以制备和操控原子核的自旋。美国伊利诺伊州芝加哥大学的大卫·阿夫沙洛姆（David Awschalom）领导的国际科研小组实现了在碳化硅中利用可见光极化原子核自旋[1]。虽然类似的量子操控实验之前已经出现过，但与之前的工作相比，碳化硅具有其特别的优势，例如生长和做成片层结构的成本都比较低。所以，得益于这项工作的结果，原子核自旋体系向量子计算机强力候选者又迈出了重要的一步。

借助于成熟发展的核磁共振技术（NMR），核自旋是物理学家最早用来说明量子计算能够在粒子中实现的体系之一。然而，核自旋也有其不利的地方。其中之一是，单个核自旋不能进行空间处理，这样传统的NMR方法也就不能对其探测，这样一来单个的核自旋只能给出一个量子比特的上限值。再者，核自旋一般都发现于热混合态，而量子信息处理所要求的初态都是制备良好的纯态。正是由于这些原因，人们认为基于核磁共振的量子信息处理在量子计算方面相较其他量子系统而言并没有好的前景，虽然核磁共振技术的确在量子信息研究的早期取得了很多成果。

阿夫沙洛姆和他同事们的工作则可打消一些对于核自旋用作量子信息处理的质疑[1]。该实验小组在碳化硅中实现了硅原子核的极化，极化率高达99%，其等效自旋温度为5mK，而此过程中样品置于室温。为了得到这一结果，实验组充分利用了核自旋的超精细结构强关联作用，在晶体内部制造缺陷，这些缺陷被称作”色心“。色心是一种点缺陷（见图1），可以俘获电子或空穴。电子在处于基态时能够吸收和放出可见光，为其他透明材料染色。这些色心同时还具有电子自旋，可以与外部磁场发生作用，产生塞曼效应（Zeeman effect），同时通过超精细相互作用与临近的核自旋发生耦合。

实验小组从生长SiC片层出发，有意识的在其生长过程中引入色心。然后他们将样品至于磁场下，用红外线进行照射，用以极化色心中电子的自旋。这种极化是为了将自旋冷却到基态。一般来说，对电子自旋的极化很少能影响到核自旋，因为这两者有不同的塞曼能。导致电子自旋翻转的能量并不能导致核自旋翻转。然而，这一工作的科研人员利用调节外部磁场人为的将这些自旋翻转。在磁场感应强度在400高斯时，电子自旋的塞曼能量被电子零场能量抵消，所以电子和核子的自旋翻转所需的能量一致。于是极化流可以从冷电子自旋传导至热原子核自旋上去。如此，研究人员可以在原子核基态上以极高极化率（99.5%）制备原子核自旋极化。

以热接触的方式极化原子核经常被用于提高系综核磁共振实验的灵敏度[3]。此技术发展至今已臻熟，一般要求低温微波环境，但利用可见光极化核子团簇之前也实现过[4]。然而只有最近，科学家才实现局域高极化的核自旋。就像现如今的研究，这些工作利用了电子自旋在硅，锑，以及金刚石中的缺陷[5]。这些系统提供了初态制备、控制和读取单个核自旋的可能性。因此核自旋体系可以用作开发长寿命量子记忆体，因为金刚石中单个碳原子核的关联寿命可以达到1秒多，磷原子核在硅晶体中可以达到30秒，而磷原子团簇在硅晶体中关联寿命可以达到39分钟[6]。如此长的关联时间，加上对单个核自旋精确有效的控制，结合在一起开启了量子技术的新篇章。基于核自旋的量子寄存器已经开始运行一些小的算法，用以检测量子力学一些基本问题，进行一些量子误差的修正，改进量子传感器[7]。

阿夫沙洛姆和其合作者的工作将量子器件的改进提升了一个档次，量子器件向着更实用化，便宜化的方向前进，碳化硅基质材料很明显是一种经济友好的材料。碳化硅可以利用大尺寸生长工艺生长出高质量单晶，而且在高温度和高能量的电子学中应用广泛[8]。最近，人们同样利用金刚石作为基底进行了电子-核子自旋的量子比特实验，但碳化硅与金刚石比起来更容易在纳米尺度下制备。的确，碳化硅已经被用于微米、纳米电子动力学系统中，而其纳米结构（量子点，光子晶体，纳米柱等）也引出了人们对其在光子学和光电子学方面应用的关注[9]。人们已经在描述碳化硅中大量具有光学活性的顺磁缺陷上取得了一些初步的进展[10]。

碳化硅就是这样一种快速登上量子器件材料候选者宝座的物质，其工艺友好度以及顺磁量子自旋缺陷，都成就了它今天的地位。重要的是，阿夫沙洛姆和其同事的工作也表明了另外一个关键性内容，即记忆存储与核自旋之间的联系。尽管在量子技术中还有很多挑战，碳化硅和在其中实现的核自旋必定会在其中扮演重要的角色，以帮助我们将量子技术实用化。

这一研究成果刊登在物理评论快报上。

Abram L. Falk, Paul V. Klimov, Viktor Ivády, Krisztián Szász, David J. Christle, William F. Koehl, Ádám Gali, and David D. Awschalom

Published June 17, 2015

References

Abram L. Falk, Paul V. Klimov, Viktor Ivády, Krisztián Szász, David J. Christle, William F. Koehl, Ádám Gali, and David D. Awschalom, “Optical Polarization of Nuclear Spins in Silicon Carbide,” Phys. Rev. Lett. 114, 247603 (2015)D.G. Cory, A. F. Fahmy, and T. F. Havel, “Ensemble Quantum Computing by NMR Spectroscopy,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 1634 (1997); I. L. Chuang, L. M. K. Vandersypen, X. Zhou, D. W. Leung, and S. Lloyd, “Experimental Realization of a Quantum Algorithm,” Nature 393, 143 (1998)A.Abragam and M. Goldman, “Principles of Dynamic Nuclear Polarization,” Rep. Prog. Phys. 41, 395 (1978)M.A. Bouchiat, T. R. Carver, and C. M. Varnum, “Nuclear Polarization in He3 Gas Induced by Optical Pumping and Dipolar Exchange,” Phys. Rev. Lett. 5, 373 (1960)A.Yang, M. Steger, T. Sekiguchi, M. L. W. Thewalt, T. D. Ladd, K. M. Itoh, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, and H.-J. Pohl, “Simultaneous Subsecond Hyperpolarization of the Nuclear and Electron Spins of Phosphorus in Silicon by Optical Pumping of Exciton Transitions,” Phys. Rev. Lett. 102, 257401 (2009); R. Fischer, C. O. Bretschneider, P. London, D. Budker, D. Gershoni, and L. Frydman, ”Bulk Nuclear Polarization Enhanced at Room Temperature by Optical Pumping,”Phys. Rev. Lett. 111, 057601 (2013)P.C. Maurer et al., “Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second,” Science 336, 1283 (2012); J. T. Muhonen et al., “Storing Quantum Information for 30 seconds in a Nanoelectronic Device,”Nature Nanotech. 9, 986 (2014); K. Saeedi, S. Simmons, J. Z. Salvail1, P. Dluhy, H. Riemann, N.V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, J. J. L. Morton, and M. L. W. Thewalt, “Room-Temperature Quantum Bit Storage Exceeding 39 Minutes Using Ionized Donors in Silicon-28,”Science 342, 830 (2013)R.E. George, L. M. Robledo, O. J. E. Maroney, M.S. Blok, H. Bernien, M. L. Markham, D. J. Twitchen, J. J. L. Mortone, G. A. D. Briggs, and R. Hanson, “Opening Up Three Quantum Boxes Causes Classically Undetectable Wavefunction Collapse,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 3777 (2013); G. Waldherr et al., “Quantum Error Correction in a Solid-State Hybrid Spin Register,” Nature 506, 204 (2014); A. Ajoy, U. Bissbort, M. D. Lukin, R. L. Walsworth, and P. Cappellaro, “Atomic-Scale Nuclear Spin Imaging Using Quantum-Assisted Sensors in Diamond,”Phys. Rev. X 5, 011001 (2015)D.Nakamura, I. Gunjishima, S. Yamaguchi, T. Ito, A. Okamoto, H. Kondo, S. Onda, and K. Takatori, “Ultrahigh-Quality Silicon Carbide Single Crystals,” Nature 430, 1009 (2004)C.A. Zorman and R. J. Parro, “Micro- and Nanomechanical Structures for Silicon Carbide MEMS and NEMS,” Phys. Status Solidi (b) 245, 1404 (2008); B.-S. Song, S. Yamada, T. Asano, and S. Noda, “Demonstration of two-dimensional photonic crystals based on silicon carbide,”Opt. Express 19, 11084 (2011)S.Castelletto, B. C. Johnson, and A. Boretti, “Quantum Effects in Silicon Carbide Hold Promise for Novel Integrated Devices and Sensors,” Adv. Opt. Mater. 1, 609 (2013)