由鉆石NV中心的電子或氮自旋組成的量子存儲器，可以通過光單獨訪問并由微波精確操縱。學分：橫濱國立大學

量子計算是一個依靠量子力學原理來計算結(jié)果的領(lǐng)域，有可能執(zhí)行對傳統(tǒng)計算機來說過于復雜的任務(wù)，并以高速速度完成，使其在某些方面成為科學和工程的新領(lǐng)域。為了達到量子計算機能夠滿足其預期性能潛力的程度，需要開發(fā)大規(guī)模量子處理器和量子存儲器。精確控制量子比特（或量子比特，量子計算機的基本構(gòu)建塊）對于做到這一點至關(guān)重要，但是控制量子比特的方法對于高精度的大規(guī)模高密度布線具有局限性。

現(xiàn)在，日本橫濱國立大學的研究人員已經(jīng)找到了一種精確控制量子比特的方法，而不受以前的限制。他們的研究結(jié)果于2022年7月26日發(fā)表在《自然光子學》上。

“微波通常用于單獨的量子控制，但微波線路的單獨布線是必需的，”論文通訊作者Hideo Kosaka說，他是高級科學研究所量子信息研究中心主任，橫濱國立大學工程研究生院物理系教授?！傲硪环矫妫梢杂霉庠诰植坎僮髁孔颖忍?，但不精確。

Kosaka和其他研究人員能夠通過微波操縱和原子和分子躍遷頻率的局部光學移位的組合來操縱電子自旋來證明對量子比特的控制，這一過程稱為斯塔克位移，使用鉆石中的氮空位中心（一種點缺陷）。換句話說，他們能夠?qū)⒁蕾囉诩す夤獾墓鈱W方法與微波相結(jié)合，以克服以前的局限性。

研究人員還能夠證明，這種對電子自旋的控制可以反過來控制氮原子在氮空位中心的核自旋以及電子和核自旋之間的相互作用。這很重要，因為它可以在沒有布線問題的情況下精確控制量子位。

“光和微波的同時照射可以單獨精確地控制量子比特，而無需單獨布線，”Kosaka說。“這為大規(guī)模量子處理器和量子存儲器鋪平了道路，這對于大規(guī)模量子計算機的發(fā)展至關(guān)重要。

此外，研究人員能夠在電子和核自旋之間產(chǎn)生量子糾纏 – 一種粒子以相同狀態(tài)存在的狀態(tài)，即使它們在物理上是分離的 – 以準備光子狀態(tài)以轉(zhuǎn)移到核自旋狀態(tài)。這允許與光子的量子位間連接，最終將需要更少的計算能力，并通過量子隱形傳態(tài)原理將信息傳輸?shù)搅孔犹幚砥骱土孔哟鎯ζ鳌?/p>

新方法滿足了所有DiVincenzo標準，這是量子計算機運行所需的標準，包括可擴展性，初始化，測量，通用門和長相干性。它還可以應(yīng)用于斯塔克頻移之外的其他磁場方案，以在這些情況下單獨操作量子位，并且可以防止常見類型的計算錯誤，例如門錯誤或環(huán)境噪聲。

“與全光學方案相比，我們的方案的保真度得到提高的原因是使用了更容易控制的過度自由度，”Kosaka說，他指的是可以使用這種方法控制的變量數(shù)量。

根據(jù)研究人員的說法，這一進步是朝著更大規(guī)模的量子計算邁出的一步。

“通過進一步提高單個量子操作和糾纏操作的分辨率，可以實現(xiàn)大規(guī)模集成金剛石量子計算機，量子存儲和量子傳感器，”Kosaka說?！八€將提高量子中繼器網(wǎng)絡(luò)在長途量子通信和分布式量子計算機網(wǎng)絡(luò)或量子互聯(lián)網(wǎng)方面的數(shù)據(jù)傳輸能力。

該論文的其他作者是橫濱國立大學高級科學研究所的Yuhei Sekiguchi，以及橫濱國立大學工程研究生院物理系的Kazuki Matsushita和Yoshiki Kawasaki。

更多信息：Hideo Kosaka，光學可尋址的鉆石自旋上的通用全息量子門，Nature Photonics（2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01038-3.www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3

期刊信息：自然光子學