由鉆石NV中心的電子或氮自旋組成的量子存儲(chǔ)器，可以通過(guò)光單獨(dú)訪問(wèn)并由微波精確操縱。學(xué)分：橫濱國(guó)立大學(xué)

量子計(jì)算是一個(gè)依靠量子力學(xué)原理來(lái)計(jì)算結(jié)果的領(lǐng)域，有可能執(zhí)行對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜的任務(wù)，并以高速速度完成，使其在某些方面成為科學(xué)和工程的新領(lǐng)域。為了達(dá)到量子計(jì)算機(jī)能夠滿足其預(yù)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(chǔ)器。精確控制量子比特（或量子比特，量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建塊）對(duì)于做到這一點(diǎn)至關(guān)重要，但是控制量子比特的方法對(duì)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(guó)立大學(xué)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(xué)》上。

“微波通常用于單獨(dú)的量子控制，但微波線路的單獨(dú)布線是必需的，”論文通訊作者Hideo Kosaka說(shuō)，他是高級(jí)科學(xué)研究所量子信息研究中心主任，橫濱國(guó)立大學(xué)工程研究生院物理系教授。“另一方面，可以用光在局部操作量子比特，但不精確。

Kosaka和其他研究人員能夠通過(guò)微波操縱和原子和分子躍遷頻率的局部光學(xué)移位的組合來(lái)操縱電子自旋來(lái)證明對(duì)量子比特的控制，這一過(guò)程稱為斯塔克位移，使用鉆石中的氮空位中心（一種點(diǎn)缺陷）。換句話說(shuō)，他們能夠?qū)⒁蕾囉诩す夤獾墓鈱W(xué)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(duì)電子自旋的控制可以反過(guò)來(lái)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?yàn)樗梢栽跊](méi)有布線問(wèn)題的情況下精確控制量子位。

“光和微波的同時(shí)照射可以單獨(dú)精確地控制量子比特，而無(wú)需單獨(dú)布線，”Kosaka說(shuō)?！斑@為大規(guī)模量子處理器和量子存儲(chǔ)器鋪平了道路，這對(duì)于大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)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?cè)谖锢砩鲜欠蛛x的 – 以準(zhǔn)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(jì)算能力，并通過(guò)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?chǔ)器。

新方法滿足了所有DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)，這是量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的標(biāo)準(zhǔn)，包括可擴(kuò)展性，初始化，測(cè)量，通用門和長(zhǎng)相干性。它還可以應(yīng)用于斯塔克頻移之外的其他磁場(chǎng)方案，以在這些情況下單獨(dú)操作量子位，并且可以防止常見(jiàn)類型的計(jì)算錯(cuò)誤，例如門錯(cuò)誤或環(huán)境噪聲。

“與全光學(xué)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(guò)度自由度，”Kosaka說(shuō)，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(shuō)法，這一進(jìn)步是朝著更大規(guī)模的量子計(jì)算邁出的一步。

“通過(guò)進(jìn)一步提高單個(gè)量子操作和糾纏操作的分辨率，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成金剛石量子計(jì)算機(jī)，量子存儲(chǔ)和量子傳感器，”Kosaka說(shuō)?！八€將提高量子中繼器網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)途量子通信和分布式量子計(jì)算機(jī)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(guó)立大學(xué)高級(jí)科學(xué)研究所的Yuhei Sekiguchi，以及橫濱國(guó)立大學(xué)工程研究生院物理系的Kazuki Matsushita和Yoshiki Kawasaki。

更多信息：Hideo Kosaka，光學(xué)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(xué)