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量子计算机胜过传统计算机的“秘密武器”是量子叠加,但量子叠加很脆弱,延长其寿命是研制大型通用量子计算机面临的主要“拦路虎”之一。在4月7日出版的《自然》杂志上,美国科学家称,他们在由合成钻石制造的量子设备内使用一种量子反馈技术,将量子叠加的时长提高了1000多倍,向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步。

横滨国立大学研究人员实现在钻石内安全地传送量子信息,这项研究对量子信息技术(共享和存储敏感信息的未来)具有重大意义。其研究成果于2019年6月28日发表在《通信物理学》上。横滨国立大学工程学教授、该研究作者小坂秀夫(Hideo Kosaka)说:量子隐形传态允许把量子信息转移到一个原本无法进入的空间,它还允许将信息传输到量子内存中,而不会泄露或破坏存储的量子信息。

横滨国立大学研究人员实现在钻石内安全地传送量子信息,这项研究对量子信息技术(共享和存储敏感信息的未来)具有重大意义。其研究成果于2019年6月28日发表在《通信物理学》上。横滨国立大学工程学教授、该研究作者小坂秀夫(Hideo Kosaka)说:量子隐形传态允许把量子信息转移到一个原本无法进入的空间,它还允许将信息传输到量子内存中,而不会泄露或破坏存储的量子信息。

量子比特是构成量子计算机的基本单元。在可能实现量子计算机的众多候选者中,金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancy, NV center) 正吸引着越来越多研究者。构成金刚石晶体的主要成分是没有核自旋的12C原子。这个纯净的自旋环境让氮空位中心量子比特在室温下仍然保持着极长的相干时间,是少数直接工作在室温的量子比特之一。除了12C原子,金刚石中还有1.1%的13C原子。它们随机分布在金刚石晶体中,带有1/2的核自旋。这些核自旋具有更长的寿命,也是量子比特的优秀载体。对量子比特的单次读出(single-shot readout)是可拓展的量子计算的非常重要的技术,金刚石里的核自旋由于其超长的退相干时间,是优秀的量子比特及量子存储器,但是通常情况下核自旋都很难实现单次读出。

上海交通大学物理与天文系金贤敏教授对科技日报记者解释称,反馈控制是让大多数物理系统保持稳定的最好方法:测量系统目前的状态并产生一个控制信号,控制信号能让系统返回其理想状态,但测量会破坏量子叠加,因此,量子计算机专家不得不“忍痛割爱”。最新论文主要作者、麻省理工学院核科学和工程学副教授葆拉·卡佩拉罗说:“我们用量子的反馈控制来保护量子叠加,在此过程中不需要测量。”

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量子力学的基本原理告诉我们,对一个特定核自旋进行测量的结果只能是它的两个本征态之一。当连续多次观测一个核自旋的状态时,就有可能看到它在不同本征态之间的跳变。借助强磁场等极端条件,室温下已经观测到氮空位中心近邻强耦合13C核自旋的量子跳变现象。但是已有的观测方法并不适用于数目更多的弱耦合13C核自旋,它们的共振频率非常接近,很难实现只观测其中一个而不影响其它核自旋的状态。

最新系统使用钻石内的氮空位中心:纯净钻石由采用规则晶格结构排列的碳原子组成。如果一个碳核不在应在的晶格内,那就是一个空位。如果一个氮原子鸠占鹊巢,在晶格内取代碳原子,且与一个空位相邻,那就形成一个氮空位中心,其能代表一个量子比特,且拥有几大优势:首先,它是物理结构固有的属性,不再需要其他用于捕获离子或原子的硬件;其次,氮空位中心是自然光发射器,从其读取信息相对来说更简单一些。

在这种情况下,不可接近的空间由钻石中的碳原子组成,钻石由相互连接的碳原子组成,但又各自含有碳原子,它拥有量子隐形传态的完美条件。一个碳原子的原子核里有6个质子和6个中子,周围有6个自旋电子。当原子结合成金刚石时,它们形成了一个非常坚固的晶格。然而,钻石也有复杂的缺陷,比如氮原子存在于碳原子应该存在的两个相邻空位中的一个,这种缺陷称为氮空位中心,在碳原子的包围下,氮原子的核结构产生了小纳米磁珠。

在这种情况下,不可接近的空间由钻石中的碳原子组成,钻石由相互连接的碳原子组成,但又各自含有碳原子,它拥有量子隐形传态的完美条件。一个碳原子的原子核里有6个质子和6个中子,周围有6个自旋电子。当原子结合成金刚石时,它们形成了一个非常坚固的晶格。然而,钻石也有复杂的缺陷,比如氮原子存在于碳原子应该存在的两个相邻空位中的一个,这种缺陷称为氮空位中心,在碳原子的包围下,氮原子的核结构产生了小纳米磁珠。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室固态量子信息与计算实验室Q01组研究员潘新宇团队长期致力于氮空位中心的量子计算和量子精密测量实验研究。最近,他们和香港中文大学教授刘仁保及博士后刘刚钦以及物理所理论室研究员范桁合作,创新性地提出并在实验上演示了一种用动力学解耦脉冲来锁定和连续测量弱耦合13C核自旋状态的方法,在室温下观测到单个弱耦合13C核自旋的量子跳变。他们演示了室温下对金刚石里弱耦合的13C核自旋单次读出技术,这项技术填补了该领域的空白。他们成功地单次读出了一个耦合强度为330 kHz的13C核自旋,读出时长为200 ms,保真度达到95.5%,这个工作为未来使用核自旋作为量子计算的载体提供重要的技术支撑。

据MIT官网消息,在实验中,研究人员用氮核的自旋状态来控制NV的电子自旋:微波先让NV中心的电子自旋进入叠加状态,射频辐射接着让氮核进入特定的自旋状态,另一些低功率微波随后让氮核同NV中心的自旋发生“纠缠”。此时,NV量子比特能执行计算。之后,第三批微波被用来解除氮核与NV中心间的纠缠。最后,系统暴露于一个微波序列之下。这种暴露是被精确校准了的,即使如此,它们对NV中心的影响还是取决于氮核的状态。如果计算中出现错误,那么,微波将纠正这一错误,如果没有,激光不会改变NV中心的状态。

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起源于核磁共振的动力学解耦技术,在2010年被引入氮空位中心体系,起初只是用来延长中心电子自旋的相干时间。随后的研究发现它可以精确地定位和操控近邻核自旋的演化。在最近的这个工作中,他们提出用动力学解耦脉冲实现强度可控的量子测量。通过有选择性的连续弱测量,唯一被选中的13C核自旋会被锁定在其本征态,这个状态会反映在中心电子自旋荧光强度上并被记录。基于这种高灵敏度和高保真度的探测手段,处在复杂环境中的弱耦合13C核自旋量子状态跳变被成功观测到。核自旋的单次读出(single-shot readout)也变得不再需要强磁场和低温等极端条件。该方案大大提升了数量众多且相干性质极好的弱耦合13C核自旋的应用价值,对室温下多量子比特器件的构建具有重要意义。该工作已经发表在近期的《物理评论快报》(9778818威尼斯官网,Physical Review Letters 118, 150504 上。

结果表明,使用这一反馈控制系统,一个氮空位中心量子比特能保持叠加状态的时间是不使用这一系统的1000倍。

为了操纵氮空位中的电子和碳同位素,研究团队在钻石表面绑上了一根大约四分之一人类头发宽度的电线。将微波和无线电波应用到金属丝上,在钻石周围形成一个振荡磁场。塑造了微波,为钻石内部量子信息的传输创造了最佳、可控的条件。接着用氮纳米磁铁固定了一个电子,利用微波和无线电波,迫使电子自旋与碳核自旋纠缠在一起——电子和碳原子原子核的角动量。电子自旋在纳米磁珠产生的磁场中分解,使其易于纠缠。

为了操纵氮空位中的电子和碳同位素,研究团队在钻石表面绑上了一根大约四分之一人类头发宽度的电线。将微波和无线电波应用到金属丝上,在钻石周围形成一个振荡磁场。塑造了微波,为钻石内部量子信息的传输创造了最佳、可控的条件。接着用氮纳米磁铁固定了一个电子,利用微波和无线电波,迫使电子自旋与碳核自旋纠缠在一起——电子和碳原子原子核的角动量。电子自旋在纳米磁珠产生的磁场中分解,使其易于纠缠。

该工作获得了科技部(2014CB921402,2015CB921103)、国家自然科学基金委、中科院(XDB07010300)等项目的支持。

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9778818威尼斯官网报告手艺将量子叠加时间长度进步1000倍,物理研究所合营意识一般温度下金刚石里弱耦合核自旋的量子跳变。一旦这两部分纠缠在一起,也就是说它们的物理特性纠缠在一起,无法单独描述,就会引入一个包含量子信息的光子,电子就会吸收光子。这种吸收允许光子的偏振态被转移到碳中,而碳是由纠缠电子介导的,这表明了信息在量子水平上的隐形传输。光子存储在另一个节点的成功,建立了两个相邻节点之间的纠缠。这一过程被称为量子中继器,它可以在量子场中从一个节点接收到另一个节点的单个信息块。最终目标是实现可伸缩的量子中继器,用于长距离量子通信,分布式量子计算机用于大规模量子计算和计量。

一旦这两部分纠缠在一起,也就是说它们的物理特性纠缠在一起,无法单独描述,就会引入一个包含量子信息的光子,电子就会吸收光子。这种吸收允许光子的偏振态被转移到碳中,而碳是由纠缠电子介导的,这表明了信息在量子水平上的隐形传输。光子存储在另一个节点的成功,建立了两个相邻节点之间的纠缠。这一过程被称为量子中继器,它可以在量子场中从一个节点接收到另一个节点的单个信息块。最终目标是实现可伸缩的量子中继器,用于长距离量子通信,分布式量子计算机用于大规模量子计算和计量。

图1 用动力学解耦脉冲实现的可控量子测量,测量的强度取决于脉冲数目,而目标自旋的定位和选择取决于脉冲的间隔。这个方案尤其适用于氮空位中心近邻弱耦合的13C核自旋的读出和测量。

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博科园|研究/来自:横滨国立大学

图2 氮空位中心近邻13C核自旋的共振扫描结果。共振13C核自旋的存在会影响中心电子自旋的相干性质,两者纠缠度的大小可以由脉冲数目控制。

参考期刊《通信物理学》

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9778818威尼斯官网报告手艺将量子叠加时间长度进步1000倍,物理研究所合营意识一般温度下金刚石里弱耦合核自旋的量子跳变。DOI: 10.1038/s42005-019-0158-0

图3 室温下单个13C核自旋量子跳变的实验信号及保真度分析。其中是实验脉冲序列,是典型的量子跳变信号, 的数据分析显示单次读出保真度为95.5%。

博科园|科学、科技、科研、科普

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图4 13C核自旋量子态塌缩过程的数值模拟。结果显示该方案对实验脉冲误差和共振条件有很好的适应度,连续的弱测量会将13C核自旋锁定在其本征态上。

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