从分子自旋到容错量子比特：Junjie Liu博士的可扩展量子存储器研究之路
请谈谈您迄今为止的科研历程。您的学术背景是怎样的？
我本科毕业于清华大学，随后在佛罗里达大学物理系攻读博士学位，于2012年在Stephen Hill教授指导下获得博士学位。我的博士研究聚焦于分子纳米磁体中的磁化量子隧穿现象。之后，我加入牛津大学从事博士后研究，探索了包括相干磁电耦合、单分子电子与自旋电子器件、低维量子磁体等广泛的研究课题。
2021年，我获得英国皇家学会大学研究奖学金。该奖学金支持我目前使用电场（而非传统磁场）控制和读取分子量子自旋的研究。2024年4月，我转入伦敦玛丽女王大学，现任物理系讲师。
能否介绍一下您当前的研究活动？目前正在开展哪些工作？
我的研究致力于理解（亚）纳米尺度量子自旋系统的物理特性，包括分子纳米磁体和半导体掺杂剂及其在自旋电子学中的应用。我旨在探索自旋与电/光自由度之间的相互作用，并基于这些相互作用开发新型量子技术。
我还研究将超精细耦合核矩作为量子比特（希尔伯特空间维度大于二的物理系统），用于量子信息科学中作为容错逻辑量子比特。
在您看来，这个研究领域特别有前景的地方是什么？
量子比特是维度d>2的d维量子系统。其高维结构允许使用单个物理对象冗余存储量子信息，为量子纠错提供了硬件高效的平台，这对量子信息科学至关重要。
在各类量子比特系统中，自旋量子数大于1/2的体系尤为引人注目，因为它们提供了多维且通常隔离良好的有限希尔伯特空间。凝聚态中的电子自旋具有明确的量子特性和相对较弱的外部激发相互作用，是量子信息的天然载体；而其超精细耦合的核自旋（通常具有更高的相干性）则有望成为量子存储元件。因此，我们利用掺杂在ZnO抗磁基质中的Mn(II)离子（S=5/2，I=5/2）的核自旋子空间，作为实现基于量子比特的容错存储协议的实际平台 [1]。
苏黎世仪器的HDAWG如何支持您的研究？
我们的实验需要涉及多频率、多相位微波和射频脉冲的复杂脉冲序列，这对商用电子顺磁共振 (EPR) 波谱仪来说具有挑战性。为突破这些限制，我们开发了以苏黎世仪器 HDAWG，为核心控制单元的定制EPR波谱仪。
HDAWG通过频率上转换同时合成射频和微波脉冲，可对所有脉冲参数进行精确控制。其四个模拟输出通道使得单个任意波形发生器就能同时操控电子和核自旋，无需同步多个AWG单元，从而简化了实验装置。
您对年轻研究者有什么建议？
我不确定自己是否适合给年轻研究者提供励志建议。毕竟，我们每个人选择科研道路的初衷各不相同。但根据个人经验，我认为不要害怕尝试新事物，即使它们不能立即产出论文或成果。回首过往，即使是那些看似毫无进展的项目，最终都以意想不到的方式展现了价值。诚然，这些"弯路"使我花费了比预期更长的时间才获得稳定的学术职位，但也让这段旅程变得更加丰富多彩。
Reference:
- Demonstrating Experimentally the Encoding and Dynamics of an Error-Correctable Logical Qubit on a Hyperfine-Coupled Nuclear Spin Qudit.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.070603
