亚稳态是非平衡物理与经典随机动力学中的重要概念，广泛存在于各种物理系统中。对于量子系统，亚稳现象同样存在，主要表现为系统在弛豫至稳态之前长时间停留在某些亚稳态上。尽管理论上已有系列研究，对真实量子系统亚稳现象的实验观测却尚未实现。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q04组博士生张钧翔在刘刚钦研究员指导下，与中国科学院半导体研究所马稳龙研究员指导的博士生金缘德、邱楚丹紧密合作，在金刚石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)中心近邻的单个核自旋上成功观测到了量子亚稳现象。
在前序研究中，联合团队发现施加于量子系统的多次重复测量会驱动周围环境的特定演化【Phys. Rev. B 110,024311 (2024)】。以金刚石NV中心为例，通过对中心自旋的连续测量，可实现近邻核自旋的极化、热化、以及量子亚稳态等不同的动力学行为。具体路径取决于自由演化与相互作用哈密顿量的对易程度，较小的非对易性会诱导量子亚稳态的产生。在该实验研究中，金刚石NV自旋同时被作为量子探针，用于实时监测近邻14N核自旋的极化程度。实验发现，随着测量次数的增加，核自旋逐渐从热态极化到亚稳态（光子数出现亮暗态跳变）；继续增加测量次数，核自旋会进入真正的稳态（热态），展示出“两步弛豫”行为。进一步地，研究人员展示了外磁场和脉冲参数等因素对量子亚稳现象的调控规律。通过优化实验测控条件，成功在较小磁场（108 G）下实现了单个核自旋的高保真度单发读出，在室温下观测到10s以上的核自旋弛豫时间(T1)，并基于该技术和射频脉冲实现了核自旋的量子态相干操控。
测量是量子信息处理的关键环节。该研究首次在固态量子系统中验证了开放量子动力学的亚稳态理论，这为量子比特表征、量子存储、量子网络节点等涉及多次重复测量的场景提供了重要参考。该工作以“Observation of metastability in open quantum dynamics of a solid state system”为题发表于【Nature Communications 16,9818 (2025)】。刘刚钦研究员和马稳龙研究员为该论文的通讯作者，张钧翔、金缘德为该论文的第一作者。该研究得到了“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-64772-6
图：金刚石中单个核自旋量子亚稳现象的实验观测