期刊文章浏览系列之Physical Review Letters，搜集国人重点工作，聚焦PRL选手研究领域，供初入物理科研的老师同学了解前沿动态，找到自己科研的那道光。
Physical Review Letters Vol. 132, Iss. 2
本期期刊文章浏览系列视频推出的是美国物理学会的著名物理杂志Physical Review Letters第132卷第2期的浏览视频，该期杂志于2024年1月刊发，总共31篇文章。国内的研究机构作为通讯作者单位发表的文章总共6篇，详见下表。![]()
（如果需要上述全部文章链接，请在公众号里发送PRL132.2给我们）
本期PRL选手是南方科技大学的鲁大为。他本科毕业于中国科学技术大学少年班，后保送本校读博，师从杜江峰院士，博士毕业后加入滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）Laflamme教授研究组，从事博士后研究工作，2017年8月全职加入南方科技大学，现任南方科技大学物理系副教授、深圳市鹏城学者，长期特聘教授和量子科学与工程研究院研究员。鲁大为的主要研究方向为基于核磁共振和金刚石色心体系的量子计算研究，在量子控制、量子模拟、量子算法等领域取得了一系列研究进展，并保持自旋磁共振领域操控量子比特数目（12个）的世界纪录。目前共发表论文三十余篇，其中在PRL上发表实验论文19篇；担任包括PRL、Nat. Commun.等在内的数十种期刊审稿人，主持有国自然面上项目两项、广东省国合项目、深圳市重点项目等。
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鲁大为团队PRL历程 鲁大为的关键词之一是自旋量子计算。团队的PRL文章题目基本都是一个模式像Experimental Demonstration，Experimental Realization，Experimental Estimation等等，可见他们关注的都是实验方面的实现或者验证。量子计算领域目前从理论到实验都在快速发展，鉴于算力在很多科技研发或者应用方向上都有决定性的意义，各国的科研界大有争夺量子霸权的态势。量子计算的实现方式各不相同，比如在超导体中构建量子态（我国的祖冲之号和谷歌的Sycamore）、或者采用离子阱、金刚石色心等体系构建量子态，而鲁大为团队主要是通过实验的方式研究核磁共振体系的量子计算，即原子核的自旋态构建的量子比特。核磁共振作为医疗应用我们已经非常熟悉了，而事实上作为量子比特的体系也是比较早的，这个体系的量子具有很多优点，比如得益于成熟的电磁波脉冲控制技术，它的操控性比较好，计算错误率比较低; 核自旋相干时间比较长，可实现更多次的量子门操作；另外不需要低温环境，常温常压就可以，比较容易实现小型化。![]()
核磁共振示意图（图片来自网络）
核自旋向上向下两个状态可以作为量子比特的0和1。单比特量子门操作可以由电磁波实现，电磁波能量与核自旋的不同状态能量差相同，就达到共振状态，用以控制0态和1态之间的变换。一个含有多个核自旋的分子中，不同种类的原子核可以作为不同的量子比特：不同核跃迁频率不同，从而可以利用不同频率的电磁波实现对单比特的独立操控，这样就达到了寻址的目的。共振匹配在理论上我们说电磁波的能量等于两个态之间的能量差就可以了，但是实验研究者就要考虑共振线的线宽是多少，如何减小线宽使实验结果更加精确。原子束磁共振装置最早是拉比对斯特恩-盖拉赫实验装置的推广，加上一个交变的电磁场促成共振，原子的线宽取决于原子穿过谐振腔的时间，理论上对于速度一定的原子，谱线宽度和振荡场区的长度成反比，所以似乎要减小线宽，只要把共振腔做的长一点就行，但是由于做不到匀强静磁场，加长共振腔反而由于磁场均匀性的降低带来更大的线宽。拉姆齐的分离振荡场给出了另外一条思路，采用两个短共振腔干涉的方式产生更细的子峰，从而得到更小的线宽，该方法后续被应用到原子钟技术中。这样再加上多次测量以及平均互销等常规误差处理方式，就可以达到标准量子极限。
再进一步的话，如果将初态制备为量子比特最大纠缠态，可以达到海森堡极限，这也是量子力学的精度上限。然而不可避免的与周围环境的相互作用会导致退相干、振幅衰减、退极化等效应，使得测量精度无法达到海森堡极限，从而导致量子纠缠态提供的测量优势失效。 2012年，Chin、Huelga和Plenio等人从理论上证明了纠缠探针在非马尔可夫（即有记忆效应）噪声中可以超过标准量子极限的精度，这被称为芝诺极限。相比于标准量子极限，芝诺极限带来了一定程度的精度提升，其关键思想是量子芝诺效应可以显著降低退相干误差。量子芝诺效应是指如果测量时间间隔足够短，可以把测量看作是连续的测量，正是由于这样的测量所引起的波函数坍缩阻止了量子态之间的跃迁。简单来说，就是通过频繁地观察一个量子系统，可以使其状态“冻结”，即阻止其演化。![]()
量子芝诺效应示意（图片来自网络）
鲁大为团队从实验上证实了该理论，他们采用量子模拟方法来调制噪声模型，并应用bath-engineering技术来模拟高精度的非马尔可夫环境，他们在核磁共振量子模拟器上进行实验，环境调制是通过使用多达7个核自旋量子比特来实现的。在保证纠缠探针的高保真初始化和读出的情况下他们观察到使用纠缠探针时，目标磁场的计量精度确实达到了芝诺极限。 芝诺是古希腊的数学家，阿基里斯追乌龟的芝诺悖论就是他提出来的，阿基里斯每次追到乌龟原来的位置，乌龟就又往前走了一点; 而量子芝诺效应也是很有趣的一个现象，你一直盯着一个量子过程，他就演化的慢一点，仿佛你在凝视着深渊，深渊也在凝视着你。同时也有一个量子反芝诺效应，你盯着他他就更快了，或许可以理解为你的关注成为他最大的动力。![]()
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