量子，来源于拉丁语的quantus，意为“有多少”。一个物理量如果有最小的单元而不可连续的分割，就说这个物理量是量子化的。通俗来说，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。

自普朗克提出这一概念以来，绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论，量子也因其“神秘性”成为微观世界探索的首要之站，获得了广泛的关注。最近，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得了重要进展。他们在国际上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，对量子信息技术的发展具有重要意义。相关研究成果于北京时间12月20日在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上发布，第一作者是大连化物所博士生蔺煦阳和毕业生韩瑶瑶博士。

量子信息技术及其载体

说到量子研究中的关键一环，不得不提起量子信息技术。

它指的是以微观粒子（或准粒子）的量子态表示信息，并利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。量子信息技术包括量子通信、量子计算和量子传感等。量子通信在原理上能提供一种不能破解、不能窃听的安全的信息传输方式；而量子计算的速度有望比常规计算机快多个数量级，可以用来解决许多高难度问题。

对固态材料中的自旋量子比特进行相干操控，是实现量子信息技术的重要途径之一。

“理论来说，量子比特不像传统的信息开关只有0和1两个点，而是0和1的相干叠加态中的任何一个态。”吴凯丰解释道。

吴凯丰随后摆出了一个类似地球的布洛赫球模型，就像“地理老师”一样，开始对量子比特的“来龙去脉”进行深层次的讲解。

“如果用一个布洛赫球展示，量子比特不再是上下两个顶点，而可以是球面上的任意一点。所以基于量子比特的信息处理有望显著快于传统经典比特，这也是量子信息技术广受关注的原因之一。”吴凯丰说，“量子比特需要找到合适的载体，且保持较长寿命的量子相干。在此基础上，通过物理手段在布洛赫球面上能将量子比特操控至任意一点，就能实现量子信息处理了。”

但是，当提到用于量子信息处理的载体时，人们通常想到的是使用最尖端的技术制造材料并且在非常冷的温度下操作，比如外延生长量子点以及类似金刚石色心的“点缺陷”材料。但是外延生长量子点的制备工艺复杂、造价昂贵。并且，布洛赫球面上的相干态在室温条件下非常脆弱，很容易从球面“退”回球心，其自旋操控一般需要在液氦温度（-268.9摄氏度）以下进行。而“点缺陷”自旋材料价格高，规模化可控制备目前面临巨大的挑战。

因此，若能在室温下实现低成本材料的自旋相干操控，将对量子信息技术的发展产生深远的影响。

“煮”出一锅量子点溶液

量子研究一直以来被物理学家视若珍宝，而化学背景出身的吴凯丰却闯入了这个神秘的领域。

凭借着良好的化学基础，吴凯丰设想到：“如果在室温下的化学溶液中找到与价格昂贵的“点缺陷”材料可比拟的量子点，那么难题将迎刃而解。”

他的团队想把化学和物理有关知识“合二为一”。

吴凯丰团队立马开始细心筹备，准备“煮”出一锅化学溶液。这锅溶液可不简单，除了成本低以外，它的主要目的就是在室温下也能实现量子点自旋相干操控。

胶体量子点就成为了这锅溶液的关键“调味剂”。

它是在溶液中制造的微小的半导体纳米粒子，可以在溶液中以低成本大量合成，但在尺寸和形状控制方面却非常精细。除此之外，它们有很强的限域效应，光电、自旋等性质精准可调。尤其是近年来兴起的铅卤钙钛矿量子点，其旋轨耦合效应特别有利于通过光学方法高效注入自旋极化，同时其强烈的光-物质相互作用可促进自旋的光学相干操控。

随后，考虑到量子点中的电子-空穴交换作用导致了复杂的激子裂分及光学取向行为，研究团队创新性地制备了钙钛矿量子点的单空穴自旋极化态，通过在 CsPbBr₃量子点表面化学修饰蒽醌分子，可在亚皮秒尺度捕获量子点的光生电子，猝灭电子-空穴交换作用，在室温下得到百皮秒量级的空穴自旋。

至此，团队成功证明了在溶液里长出的材料也可以成为量子自旋的“良好”生存环境。

室温下操控自旋

确定好载体后，吴凯丰等人最关心的事情就是实现超快的量子态相干操控呢？

他们想到了研究室的“看家本领”——飞秒激光超快光谱。

当上述产生的空穴围绕中轴磁场转动的时候，通常只能沿着布洛赫球面的赤道方向，并不能到达球面上任意一点。而通过圆偏振飞秒激光的照射，在球体上奇妙般地形成了另一个磁场——赝磁场，其方向也随着光照射的方向发生改变。借助这两种磁场，自旋态可以“跑”遍球面上的任意点，从而实现了全量子态的相干操控。

考虑到自旋相干寿命在百皮秒量级，借助百飞秒（约为0.1皮秒）级的激光脉冲，研究人员在自旋退相干之前原则上可开展上千次的有效操控。

“各学科深度交叉融合，是我们这一工作成功的关键。我们能够实现胶体量子点的精准化学合成，还能够按需调控它的材料物性，最后我们将量子态相干操控的物理方法成功运用于该体系。”吴凯丰说。

该工作展示了在室温下可以采用低成本溶液法制备的胶体量子点进行量子比特操控，在量子信息科学、超快光学相干操控等领域具有重要意义。

相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41565-022-01279-x