中科大把室温量子纠缠"存"了 240 倍长：用核自旋换掉电子自旋

9 月 22 日，中国科学技术大学（USTC）合肥任硕、梁睿健团队在《物理评论快报》(Physical Review Letters) 上发表论文，把室温固态系统的量子纠缠寿命延长了 240 倍。方法出奇地朴素，把纠缠态从电子自旋转移到核自旋。电子自旋易操控但易衰，核自旋对磁噪声几乎免疫，把"活儿"交给它做。

这件事的意义在于：量子中继器与分布式量子网络最怕低温。把"必须氦稀释制冷机"的门槛降到室温，是实用化的关键一步。

这件事在固态量子里的位置

量子纠缠在固态系统里有两个老问题：

• 电子自旋（NV 色心、SiC 缺陷）操控方便，相干时间短，室温下常在微秒级。
• 核自旋相干时间可拉到秒级甚至更长，但操控与读出都难。

任硕团队做的事情，是让电子自旋做"准备工"，快速生成纠缠态，然后把这个纠缠状态"搬"到核自旋上"存货"，读取时再把纠缠搬回电子自旋读出。

240 倍怎么数出来的

论文以 SiC（碳化硅）缺陷里的电子，核自旋系统为载体，做了对比实验：

两组对照实验：纯电子自旋系统在室温下的纠缠寿命是一个基准值；通过相干转移把同一个纠缠态搬到核自旋上，寿命提升到 240 倍。整个过程发生在碳化硅固态缺陷里，温度保持在室温。读取阶段把纠缠搬回电子自旋做测量。

室温固态系统首次达到"纠缠寿命足够长、可用于量子存储"的实用门槛。论文 DOI 10.1103/454t-n78h，arXiv 2609.13744v1。

为什么挑 SiC 而不是 NV 金刚石

业内固态量子存储多用 NV 色心（金刚石氮空位中心），但 SiC 有几条好处：

• 工艺成熟：SiC 是功率半导体主流材料，产业线已经规模化。
• 缺陷种类多：碳化硅里有多种可用的自旋缺陷，便于挑选相干特性最优的体系。
• 异质集成容易：SiC 可以和现有半导体工艺对接，制备芯片级量子器件。

USTC 团队的样本调查结论是：这种方法不限于某一个特殊缺陷，可以推广到 SiC 里的多种自旋体系，向实用化扩展时不需要"赌单一材料平台"。

室温意味着什么：实用化的账本

量子网络在工程上的成本账，主要被三项设备拖高：

• 稀释制冷机：把样品冷到 10 mK 以下。
• 微波屏蔽：阻隔环境电磁干扰。
• 真空/低温封装：保证信号稳定。

室温工作的量子存储节点，能把成本曲线压下去、把部署位置扩到城市级机房甚至边缘节点。在量子网络的中继器、密钥分发节点、分布式量子计算节点这三个用途上，室温门槛的突破等于把"必须自建低温设施"的硬约束移除。

几个绕不开的下一步

• 写入读出保真度：把纠缠从电子搬到核再搬回来，每次搬动都会损失保真度。论文展示的是寿命，对保真度还要单独评估。
• 多比特扩展：单节点证明完之后，下一步是"多个核自旋组成量子寄存器"，这一档的演示还需若干年。
• 网络层接口：把这种存储节点接入现有的量子密钥分发（QKD）链路，需要新的协议与硬件。
• 工程化标准：240 倍的提升要在不同样品、不同批次、不同设备之间复现，否则只是单个实验室结果。

这件事背后的中国固态量子布局

USTC 合肥在固态量子这条线上的积累，可以追溯到 1990 年代郭光灿院士、杜江峰院士的工作。这一支延伸到 NV 色心、SiC 缺陷、稀土晶体等多个平台。本次"室温 240 倍"是"实用固态量子存储"赛道上的一次具体推进。

中国在量子通信、量子计算、超冷原子物理等几条主线之外，"固态量子存储"是相对低调但实用化潜力最大的一条。这次论文给这条线提供了一个具体锚点。

参考信源

1. Phys.org / World Programming 转稿《Nuclear-spin swap extends room-temperature entanglement lifetime up to 240-fold》（9-22）：任硕、梁睿健、PRL DOI 10.1103/454t-n78h、arXiv 2609.13744v1。
2. NovaGlobalNews 编辑摘要（9-22）：电子，核自旋相干转移机制、室温固态系统、分布式量子网络意义。
3. OrbSignal 转稿（9-22）：SiC 量子节点的样本调查结论与方法可推广性。