首次實現！10量子位自旋寄存器，存儲量子信息長達75秒！

2020-10-18 博科園

在未來幾年，量子計算機和量子網絡可能能夠解決傳統計算機系統無法完成的任務。例如，它們可以用於模擬複雜的物質或實現從根本上安全的通信。量子信息系統的基本構件被稱為量子比特，為了使量子技術成為有形的現實，研究人員將需要確定策略，以非常高的精確率控制許多量子比特。固體中單個粒子的自旋，例如電子和原子核，顯示出量子網絡發展的巨大希望，一些研究人員能夠證明對這些量子位的基本控制。

但到目前為止，還沒有人報導過包含超過三個自旋的糾纏量子態。為了達到完成複雜任務所需的計算能力，量子寄存器應該比目前實現的要大得多。然而，到目前為止，在複雜和強相互作用的量子系統中，控制單個自旋被證明是非常具有挑戰性的。現在，TU Delft和Element Six一組研究人員成功地演示了一種完全可控的十量子位自旋寄存器，其量子存儲長達一分鐘（詳見下文）。其研究發現發表在《物理評論X》上，可以為更大但可控的量子寄存器的開發鋪平道路，最終為量子計算開闢新的，令人興奮的可能性。

開展這項研究的研究人員之一的Tim Taminiau表示：研究的主要目的是利用鑲嵌在鑽石中原子的自旋來實現對大量量子比特的精確控制系統。這些自旋是有希望有潛力應用的量子比特，用於量子計算和量子網絡，但以前的結果僅限於幾個量子比特。關鍵挑戰是，一方面，系統中的所有自旋必須耦合在一起，以作為單個量子處理器運行，但另一方面，這使得以高精度有選擇地控制它們變得困難。Taminiau和同事成功地開發了一種全新的方法來控制多個量子比特。

這種技術使用電子自旋量子位來選擇性地控制許多單獨的核自旋量子位，同時將它們解耦，從而保護它們免受系統中不必要的交互作用。使用該方法，與之前的研究相比，研究人員能夠控制相當多的自旋數量，並且具有非常高的精確度。將技術應用於一個由10個自旋組成的系統，該系統與金剛石中的氮空位(NV)中心相關。該NV中心具有提供量子位的電子自旋，該量子位可以光學地讀出(即，可以確定它的值)，並且可以用微波脈衝來控制。

該研究的主要作者、博士生康納·布拉德利(Conor Bradley)解釋說：這種電子自旋與環境中的核自旋相耦合，其中一個核自旋是NV的本徵氮核自旋。另外8個量子位是圍繞NV的碳-13核自旋。自然地，鑽石中約1.1%的碳原子是碳-13並具有自旋，即它們可以用作量子位，其他碳原子是碳-12，不攜帶自旋。儘管研究人員將該方法應用於特定的10量子位系統，但他們相信它也可以在其他系統上實施，包括鑽石和碳化矽中的其他缺陷中心，矽中的量子點。這些其他系統託管的量子位在完成各種複雜任務方面各有優勢。

研究的主要成果是一個10自旋量子位量子系統，它可以存儲長達75秒的量子信息，儘管其他研究人員能夠通過將離子捕獲在真空中獲得類似的結果，但許多量子比特、精確控制和長壽命量子存儲器的這種組合，對於基於晶片的量子比特來說是獨一無二的。本研究的系統可能是大型量子網絡的關鍵構建塊，在這種網絡中，多個NV中心(每個中心提供幾個量子位)以光學方式連接在一起。在之前的一項研究中，研究人員已經概述並展示了這種特殊能力。

除了這項研究作為對更大量子信息系統的演示的重要性之外，還提供了對固體中自旋消相干（量子信息的損失）的新見解。收集的發現突出了研究多個自旋量子比特糾纏態如何解碼的可行性，以及噪聲環境中相關性如何在這一過程中發揮重要作用。該方法還為單個自旋的量子傳感和原子尺度成像開闢了新可能性，目的不是控制自旋，而是檢測它們，以便為化學、生物學和材料科學研究收集感興趣的樣本。

在未來的研究中，研究人員計劃演示一種叫做量子糾錯的技術，這種特殊類型的糾錯可以幫助克服現有量子系統所有不可避免的缺陷，最終使大規模量子系統的創建成為可能。這將需要在許多量子位上對量子態進行編碼，並在不幹擾編碼信息的情況下進行仔細的測量以檢測和糾正錯誤。到目前為止，這對於任何系統都是遙不可及的，但研究結果現在使我們有可能使用鑽石中的自旋來實現這一目標。

博科園｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031045

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