现代信息技术的核心是基于半导体材料的芯片技术。但是, 单个晶体管的尺寸即将达到原子尺度, 这就导致传统的半导体器件中的量子效应将不可回避。因此, 实现对单量子体系的操控, 开发具有特定功能的量子器件是我们目前能够突破摩尔定律瓶颈的可能途径之一。量子计算机在诸多领域有着重要的潜在应用, 例如, 网络安全, 天气预报, 基因测序、化合物设计与药物研发, 大数据分析、预测与风险建模, 人工智能等。

量子体系的演化, 除了会产生大家熟知的动力学相位之外, 还可能产生几何相位。与动力学相位不同的是量子体系演化过程中积累的几何相位只依赖于体系演化的整体特性, 与其具体细节无关。因此, 利用几何相位构造的量子逻辑门操作将对调控量子体系引入的操作误差和噪声免疫。和乐量子计算是用非阿贝尔几何相位构造完备量子门组合的量子计算实现方式, 其内禀容错特性成为实现量子计算的一种很有前景的方法。同时, 非绝热演化可以用简单的操控手段缩短完成量子门的时间, 提高其保真度。目前, 用激光脉冲驱动三能级体系是实现非绝热和乐量子计算的最直接的途径。

最近, 由华南师范大学薛正远教授和安徽新华学院周建副教授研究小组发表在《中国科学: 物理学 力学 天文学》英文版2018年第1期上的一项研究工作中, 对金刚石氮空色心体系的电子自旋采用全光学操控实现了快速和乐量子计算。

金刚石氮空色心体系在室温下也有长的相干时间, 可以通过光或者微波进行相干操控。近几年来, 通过光或者微波手段对金刚石氮空色心体系的单个电子自旋的和乐操控都已经实现。然而, 通过光对两个自旋的联合和乐操控目前为止仍未有实验报道。

图1 可扩展耦合腔阵列示意图

该项研究通过调整驱动激光的参数不仅可实现任意单自旋的和乐操控, 也可借助光学腔辅助技术同时实现对两个自旋的联合和乐操控, 提供了通过全光频控制实现固态容错量子计算的途径。

研究方案中电子自旋的初始化、操控和读取都是用光学手段实现的, 因此避免了微波操控时操控和读取手段的不兼容。

由于一个光学腔可以承载的自旋数目有限, 研究小组提供了耦合光学腔体系中两个自旋的联合操控。此时, 每个自旋都在不同的腔内, 腔可以排成任意想要的阵列, 解决了方案扩展性的难题。

该项研究得到了国家重点基础研究发展计划项目 (No. 2013CB921804) 、国家重点研发计划项目(No. 2016YFA0301803)以及安徽省教育厅科学研究重点项目(No. KJ2015A299)的资助。

详情请阅读原文：J. Zhou, B. J. Liu, Z. P. Hong, and Z. Y. Xue, Fast holonomicquantum computation based on solid-state spins with all-optical control, Sci.China-Phys.Mech. Astron. 61,010312 (2018),

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-017-9119-8

我们特邀山东大学物理系许国富老师撰写News & Views文章“Nonadiabatic holonomic quantum computation based on nitrogen-vacancy center”，详情见Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 010331 (2018),
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-017-9123-2

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