亞穩(wěn)態(tài)是非平衡物理與經(jīng)典隨機動力學(xué)中的重要概念，廣泛存在于各種物理系統(tǒng)中。對于量子系統(tǒng)，亞穩(wěn)現(xiàn)象同樣存在，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)在弛豫至穩(wěn)態(tài)之前長時間停留在某些亞穩(wěn)態(tài)上。盡管理論上已有系列研究，對真實量子系統(tǒng)亞穩(wěn)現(xiàn)象的實驗觀測卻尚未實現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心Q04組博士生張鈞翔在劉剛欽研究員指導(dǎo)下，與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所馬穩(wěn)龍研究員指導(dǎo)的博士生金緣德、邱楚丹緊密合作，在金剛石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)中心近鄰的單個核自旋上成功觀測到了量子亞穩(wěn)現(xiàn)象。

在前序研究中，聯(lián)合團隊發(fā)現(xiàn)施加于量子系統(tǒng)的多次重復(fù)測量會驅(qū)動周圍環(huán)境的特定演化【Phys. Rev. B 110,024311 (2024)】。以金剛石NV中心為例，通過對中心自旋的連續(xù)測量，可實現(xiàn)近鄰核自旋的極化、熱化、以及量子亞穩(wěn)態(tài)等不同的動力學(xué)行為。具體路徑取決于自由演化與相互作用哈密頓量的對易程度，較小的非對易性會誘導(dǎo)量子亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。在該實驗研究中，金剛石NV自旋同時被作為量子探針，用于實時監(jiān)測近鄰1?N核自旋的極化程度。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著測量次數(shù)的增加，核自旋逐漸從熱態(tài)極化到亞穩(wěn)態(tài)（光子數(shù)出現(xiàn)亮暗態(tài)跳變）；繼續(xù)增加測量次數(shù)，核自旋會進入真正的穩(wěn)態(tài)（熱態(tài)），展示出“兩步弛豫”行為。進一步地，研究人員展示了外磁場和脈沖參數(shù)等因素對量子亞穩(wěn)現(xiàn)象的調(diào)控規(guī)律。通過優(yōu)化實驗測控條件，成功在較小磁場（108 G）下實現(xiàn)了單個核自旋的高保真度單發(fā)讀出，在室溫下觀測到10s以上的核自旋弛豫時間(T?)，并基于該技術(shù)和射頻脈沖實現(xiàn)了核自旋的量子態(tài)相干操控。

圖：金剛石中單個核自旋量子亞穩(wěn)現(xiàn)象的實驗觀測

測量是量子信息處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該研究首次在固態(tài)量子系統(tǒng)中驗證了開放量子動力學(xué)的亞穩(wěn)態(tài)理論，這為量子比特表征、量子存儲、量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等涉及多次重復(fù)測量的場景提供了重要參考。該工作以“Observation of metastability in open quantum dynamics of a solid state system”為題發(fā)表于【Nature Communications 16,9818 (2025)】。劉剛欽研究員和馬穩(wěn)龍研究員為該論文的通訊作者，張鈞翔、金緣德為該論文的第一作者。該研究得到了“量子通信與量子計算機”國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等項目的支持。

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