麻省理工学院研究人员使用激光直接控制原子核的自旋，提出了一种制造量子比特并控制它们读取和写入数据的新方法，相关研究以“Two-Photon Interface of Nuclear Spins Based on the Optonuclear Quadrupolar Effect”为题发表在《PHYSICAL REVIEW X》上。

光子和核自旋是量子信息科学和技术中两个至关重要的组成部分。在光学光子和核自旋之间建立一个有效的界面，虽然非常适合结合这两个量子系统，但具有挑战性，因为核自旋和环境之间的相互作用通常在量级上很弱，而且核自旋频率和光频率之间也存在巨大的差距。

核自旋长期以来一直被认为是基于量子的信息处理和通信系统的奠基石，光子也是如此，光子是电磁辐射的离散包或“量子”的基本粒子。但是要让这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有相互作用，而且它们的固有频率相差6到9个数量级。

在麻省理工学院团队研发过程中，入射激光束频率的差异与核自旋的转变频率相匹配，研究人员提出了一种光核四极(optonuclear quadrupolar，ONQ)效应，光子可以有效地耦合到核自旋，类似于拉曼散射。

图1：该图说明了两束波长略有不同的激光束如何影响原子核周围的电场，以某种方式推动原子核向特定方向的自旋，如箭头所示。

光核四极(ONQ)效应，光子和核自旋可以有效耦合。其基本思想是光子影响核自旋附近电子产生的电场梯度，从而调节核四极相互作用。因此，核自旋可以耦合到两个频率差与核自旋频率匹配的光子。对于新方法，利用了许多原子核具有电四极，这使电核四极与环境的相互作用。这种相互作用可以受到光的影响，从而改变原子核本身的状态。这个过程是完全可调的。例如，其中一种激光器可以调整到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，从而实现远距离量子通信。

图2:ONQ效应的说明及量子能级图。

与以往光学控制核自旋的方法相比，通过利用一些原子核具有电四极，研究人员可以诱导这种直接与核自旋耦合的二阶非线性光学效应，而不需要任何中间电子自旋。这使得研究人员可以直接操纵核自旋。ONQ效应不需要辅助电子自旋，因此适用于无缺陷的非磁性晶体。ONQ效应也比其他非线性光核效应强几个数量级。考虑到这一点，研究人员提出了ONQ效应的几个有前景的应用，从材料光谱学到量子技术，如量子记忆和量子转导。例如，研究人员表明，使用ONQ效应，光学和微波或射频光子之间的转导保真度可以达到近90%。

图3:光学到MW或射频转导的模拟结果。

ONQ效应需要电场强度约为0.1-1 MV/cm的激光场。试验NSE（nuclear spin ensemble）晶体样品的大小，以证明ONQ效应。当电场为1 MV / cm时，由于激光照明引起的温升仅在1-10 K的数量级上，因此加热效应引起的样品损坏应该是最小的。研究人员展示了NSE的量子态可以通过检测谐振腔中光子的发射来读出（图4中的左框）。还提出了另一种用于NSE量子态的断开测量方法，使用与非共振非谐波光学腔的色散相互作用。

图 4 ：NSE（nuclear spin ensemble） 量子态的读数。左框：空腔与ONQ跃迁共振。右框：非谐波腔与ONQ过渡谐振断开。可以检测腔体共振频率的偏移，以确定NSE的量子态。

除此之外，这种新方法可以精确识别甚至识别材料的同位素，而拉曼光谱是一种基于类比物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。这种新方法可能有很多应用空间。ONQ效应在光子和核自旋之间建立了一个有效的界面，到目前为止，这项研究只是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这个概念，可能首先是在光谱系统中，之后，他们将研究量子设备，如记忆或转导效应。未来的研究可以集中于展示ONQ效应的更多应用，设计光子结构，以及寻找能够实现强ONQ响应的材料。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011017?ft=1#fulltext