控制量子比特的新方法可推动量子计算机的发展

诸平

Quantum memories made of electron or nitrogen spins in NV centers in diamond that can be individually accessed by light and precisely manipulated by microwaves. Credit: Yokohama National University

据日本横滨国立大学（Yokohama National University）2022年7月28日报道，控制量子比特的新方法可以推动量子计算机的发展（New method of controlling qubits could advance quantum computers）。

量子计算（Quantum computing）是一个依赖量子力学原理来计算结果的领域，它有可能完成传统计算机无法完成的复杂任务，而且速度很快，在某种程度上使它成为科学和工程的新前沿。为了使量子计算机达到预期的性能潜力，需要开发大规模量子处理器和量子存储器。量子计算机的基本构造块——量子比特的精确控制是实现这一目标的关键，但控制量子比特的方法对于高精度的大规模高密度布线具有局限性。

现在，日本横滨国立大学的研究人员发现了一种不受之前限制的精确控制量子比特的方法。他们的研究结果于2022年7月28日以已经在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志网站发表——Yuhei Sekiguchi, Kazuki Matsushita, Yoshiki Kawasaki, Hideo Kosaka. Optically addressable universal holonomic quantum gates on diamond spins. Nature Photonics, Published: 28 July 2022. DOI: 10.1038/s41566-022-01038-3. http://www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3

参与此项研究的有来自日本横滨国立大学先端科学高等研究院（Institute of Advanced Sciences, Yokohama National University, Japan）、量子情报研究中心（Quantum Information Research Center, Yokohama National University, Japan）以及工程科学研究生院物理系（Department of Physics, Graduate School of Engineering Science, Yokohama National University, Japan）的研究人员。

论文通讯作者、横滨国立大学高等科学研究院量子情报研究中心（Quantum Information Research Center）主任、工学研究生院物理系（Department of Physics in the Graduate School of Engineering at Yokohama National University）教授小坂英男（Hideo Kosaka）说：“微波通常用于单独的量子控制，但需要单独布线的微波线路。另一方面，可以用光在局部但不精确地操纵量子比特。”

小坂英男和其他研究人员能够通过结合微波操纵和原子和分子跃迁频率的局部光学偏移来操纵电子自旋（electron spin），从而证明了对量子比特的控制，这一过程称为斯塔克位移（Stark shift），使用在金刚石（diamond）中一种点缺陷——氮空位中心（nitrogen-vacancy center）。换句话说，他们能够将依赖于激光光的光学方法与微波相结合，以克服先前的限制。  

研究人员还能够证明，这种对电子自旋的控制反过来可以控制氮空位中心氮原子的核自旋以及电子和核自旋之间的相互作用。这很重要，因为它可以在没有布线问题的情况下精确控制量子位。

小坂英男说：“光和微波的同时照射可以在没有单独布线的情况下，单独和精确地控制量子比特。这为大规模量子处理器和量子存储器铺平了道路，这对于大规模量子计算机（large-scale quantum computers）的发展至关重要。”

此外，研究人员能够在电子和核自旋之间产生量子纠缠（quantum entanglement）——一种粒子以相同状态存在的状态，即使它们在物理上是分开的——以制备一个光子态转移到核自旋态。这允许与光子进行量子位间连接，最终将需要更少的计算能力，并能够通过量子隐形传态（quantum teleportation）的原理将信息传输到量子处理器和量子存储器（quantum memories ）。

新方法满足所有 DiVincenzo 标准（DiVincenzo criteria），这是量子计算机运行所需的标准，包括可扩展性、初始化、测量、通用门和长相干性。它还可以应用于斯塔克位移之外的其他磁场方案，以在这些场景中单独操纵量子位，并且可以防止常见类型的计算错误，例如门错误（gate errors）或环境噪声（environmental noise）。

“我们的方案比全光学方案的保真度提高的原因是使用了更容易控制的过度自由度（excess degree of freedom），”小坂英男说，指的是使用这种方法可以控制的变量数量。

据研究人员称，这一进步是朝着更大规模量子计算（quantum computing）迈出的一步。

小坂英男说：“通过进一步提高单个量子运算和纠缠运算的分辨率，可以实现大规模集成金刚石量子计算机（large-scale integrated diamond quantum computers）、量子存储和量子传感器。它还将提高长距离量子通信（long-haul quantum communication）和分布式量子计算机网络（distributed quantum computer network）或量子互联网（quantum Internet）的量子中继网络（quantum repeater network）的数据传输能力。”

本研究得到了日本科学促进会(Japan Society for the Promotion of Science简称JSPS)科学研究资助项目{Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Grants-in-Aid for Scientific Research (grant numbers 20H05661 and 20K2044120}的资助;日本科学技术振兴机构(Japan Science and Technology Agency简称JST) CREST资助{Japan Science and Technology Agency (JST) CREST (grant number JPMJCR1773) };日本科学技术振兴机构月球探测器研发项目资助{ JST Moonshot R&D (grant number JPMJMS2062)}；以及日本总务省在全球量子密码网络构建研究和开发倡议下的资助{ Ministry of Internal Affairs and Communications (MIC) under the initiative Research and Development for Construction of a Global Quantum Cryptography Network (grant number JPMI00316)}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Fault-tolerant quantum computer memory in diamond

【プレスリリース】世界初、光ランダムアクセス量子メモリの原理実証に成功 ～大規模集積量子メモリやダイヤモンド量子コンピュータの実現に道～（2022年07月29日）

New method of controlling qubits could advance quantum computers（Quantum Information Security Unit / Quantum Information Research Center）

Abstract

The ability to individually control the numerous spins in a solid-state crystal is a promising technology for the development of large-scale quantum processors and memories. A localized laser field offers spatial selectivity for electron spin manipulation through spin–obit coupling, but it has been difficult to simultaneously achieve precise and universal manipulation. Here, we demonstrate microwave-driven holonomic quantum gates on an optically selected electron spin in a nitrogen-vacancy centre in diamond. The electron spin is precisely manipulated with global microwaves tuned to the frequency shift induced by the local optical Stark effect. We show the universality of the operations, including state initialization, preparation, readout and echo. We also generate optically addressable entanglement between the electron and adjacent nitrogen nuclear spin. High-fidelity operations are achieved by applying amplitude-alternating pulses, which are tolerant to fluctuations in microwave intensity and detuning. These techniques enable site-selective quantum teleportation transfer from a photon to a nuclear spin memory, paving the way for the realization of distributed quantum computers and the quantum Internet with large-scale quantum storage.