據物理學家組織網5月1日報道，最近，加利福尼亞大學圣芭芭拉分校（UCSB）研究人員開發出一種技術，只用激光就能對量子比特初始化，并實現了多種操縱、讀取電子自旋態等。這種方法不僅比傳統方法更能實現統一控制，而且功能更多樣，為探索新型固態量子系統打開了大門。相關論文發表在最新版的美國《國家科學院學報》上。

雖然實驗用的量子比特是鉆石中的瑕疵——氮晶格空位（NV）中心，但新技術能在更廣泛的材料中操作。UCSB自旋電子學與量子計算機中心主管、物理學教授戴維·奧斯蓋勒姆說：“與傳統技術不同，我們開發的是一種利用激光脈沖在半導體內控制單個量子比特的全光策略。這將帶來一個好機會，讓人們有望用光子芯片處理和交流量子信息。”

傳統方法是利用微波場和鉆石瑕疵的特殊屬性來操作，盡管NV中心是一種很有前景的量子比特，過去十年來一直被廣泛研究，但要用工業或生長的方法造出所需鉆石卻是極大的挑戰。全光控制讓人們能更多樣地操縱NV中心，這和傳統方法完全不同，還能用其他材料來研究量子系統，制造這些材料的技術也更加成熟。UCSB物理學研究生鮑勃·巴克爾說：“這些技術將來會更普及，還可用于未曾探索過的量子系統。”

NV中心是鉆石原子結構上的一種瑕疵，鉆石晶格中一個碳原子被一個氮原子取代，使其附近空缺出一個晶格空位，圍繞氮原子旋轉的自旋電子就變成一個量子比特，即量子計算機的基本單位。傳統技術要先把這一量子比特初始化，成為具有界限清晰的能量態，然后才能與其對接。傳統計算機的基本信息單位是比特，要么是0要么是1；而量子比特可以同時是0和1，或者同時處于任何兩個數學疊加位，允許研究人員進行更復雜的操作。

“最初我們是想找到一種方法，只需一步就把量子比特放在其狀態中任何可能的疊加位。”論文第一作者、物理學研究生克里斯托弗·耶爾說，“結果我們只需調整與自旋電子相互作用的激光就實現了這一點，而且我們能產生自旋態的相干旋轉，并讀出電子的相對自旋狀態。”

此外，全光方法還有升級的潛力。物理學研究生戴維·克里斯托指出：“假如你有一排按順序排列的這種量子比特，當用傳統的微波場方法時，很難在與其中任一個‘交談’時不影響其他比特。理論上，在一個理想的光學系統中，新技術能把光線集中到單個量子比特上，只跟它‘交談’。”

研究小組認為，雖然開發出實際的量子計算機還要再等幾年，但新研究為這一最終目標開辟了新路徑。量子計算設備能執行某些精密計算和復雜功能，比現有計算機效率高得多，將推動諸多領域進一步發展，如量子加密和量子模擬。