資訊

物理所基于金剛石中氮-空位中心的量子計(jì)算研究獲進(jìn)展

2013-08-22 來源：中科院網(wǎng)站字號：大中小

中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的潘新宇副研究員小組在國內(nèi)率先開展基于氮-空位中心量子計(jì)算研究，自主設(shè)計(jì)搭建了三套由激光掃描、熒光收集、旋轉(zhuǎn)磁場和射頻微波脈沖控制組成的量子調(diào)控系統(tǒng)?；谠搶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過與多個理論小組的合作交流，完成了一系列實(shí)驗(yàn)研究。他們首次在室溫下固態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化相位量子克隆機(jī)【Applied Physics Letters 99, 051113 （2011）】；在進(jìn)一步掌握了更精確的量子態(tài)相位控制技術(shù)之后，演示了對BB84協(xié)議中四個基本態(tài)的量子克隆操作【Scientific Reports 3, 01498 （2013）】；首次在室溫下觀測到可控的量子漲落效應(yīng)【Scientific Reports 2, 432 （2012）】。

金剛石中的氮-空位中心（Nitrogen-Vacancy center）是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)良載體。在純凈的金剛石中，一個氮原子取代碳原子，與相鄰格點(diǎn)中存在的空位（見圖1）會形成氮-空位中心。氮-空位中心具有如下特征：（1）在室溫下具有很長的電子自旋退相干時間；（2）用激光激發(fā)、微波操控和熒光讀出可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的高保真度制備、操控及讀??；（3）與周圍核自旋形成豐富的超精細(xì)相互作用環(huán)境。這些獨(dú)特的性質(zhì)使得氮-空位中心在量子計(jì)算、高空間分辨率的弱磁探測（單分子NMR）和溫度探測等方面擁有巨大的應(yīng)用價值。

為了實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子計(jì)算，延長量子比特的相干時間以及實(shí)現(xiàn)復(fù)合（擴(kuò)展）比特的相干操作是主要挑戰(zhàn)。氮-空位中心近鄰的核自旋是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展量子計(jì)算的優(yōu)良媒介，同時也是造成中心電子自旋退相干的主要原因。常規(guī)的動力學(xué)解耦技術(shù)（Dynamical Decoupling）可以有效延長中心電子自旋的相干時間，但也會不可避免地影響電子自旋和核自旋的相互作用，而這種相互作用又是實(shí)現(xiàn)復(fù)合比特量子邏輯門（Quantum Gate）的必備條件，所以同時實(shí)現(xiàn)中心電子自旋相干性保護(hù)和量子邏輯門是非常困難的。

為了解決這一矛盾，固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室潘新宇副研究員、博士生劉剛欽與香港中文大學(xué)劉仁保教授和Hoi Chun Po同學(xué)等合作，提出用動力學(xué)解耦來直接實(shí)現(xiàn)的量子邏輯門的方案（Quantum Gate by Dynamical Decoupling）。這個方案僅需要給氮-空位中心的電子自旋施加特定間隔的動力學(xué)解耦脈沖，就能在保護(hù)電子自旋相干性的同時，引導(dǎo)鄰近的13C核自旋完成特定的演化（見圖3），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)普適的量子邏輯門操作。他們理論設(shè)計(jì)并在實(shí)驗(yàn)上演示了這一方案中的受控非門（controlled-NOT Gate），用該量子邏輯門實(shí)現(xiàn)了電子自旋和核自旋的最大糾纏態(tài)的制備，末態(tài)（Bell State）保真度達(dá)到了91%。他們還進(jìn)一步測試了該量子邏輯門的多次操作效果，發(fā)現(xiàn)它能將電子自旋相干時間延長30倍以上（見圖4）。這一創(chuàng)新技術(shù)可以推廣到其它需要用動力學(xué)解耦來延長相干時間的量子計(jì)算體系中，具有普適意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期【Nature Communications, 4, 2254, doi:10.1038/ncomms3254 （2013）】上。

上述工作得到了科技部“973”項(xiàng)目、中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金的大力支持。