日本科學家發現可精確控制量子位的新方法 助力推進量子計算機發展

為了達到量子計算機能夠滿足其預期性能潛力的程度，需要開發大規模的量子處理器和量子存儲器。要做到這一點，精確控制量子位至關重要，但控制量子位的方法對于高精度的大規模高密度布線來說存在局限性。日本橫濱國立大學研究人員找到了一種可精確控制量子比特方法。這一進展是朝著更大規模量子計算邁出的一步。研究結果發表在26日的《自然·光子學》雜志上。

高等科學研究所量子信息研究中心、橫濱國立大學工程學研究生院科學家表示：微波通常用于單獨的量子控制，但需要單獨布線微波線路。此外，有可能在本地操縱量子位，但不能精確地利用光。

團隊利用鉆石中的氮原子空缺中心，通過微波操縱以及原子和分子躍遷頻率的局部光學移動相結合的方式來操縱電子自旋，從而展示了對量子位的控制。這一過程被稱為斯塔克偏移。換句話說，他們能夠將依賴激光的光學方法與微波相結合，從而克服之前的限制。

研究人員證明，這種對電子自旋的控制反過來可控制氮空缺中心的氮原子的核自旋，以及電子和核自旋之間的相互作用。

光和微波的同時照射可在沒有單獨布線的情況下單獨、精確地控制量子比特。團隊表示，這為實現大規模量子處理器和量子存儲器鋪平了道路，對于大規模量子計算機的發展至關重要。

此外，研究還實現了在電子自旋和核自旋之間產生量子糾纏。這允許量子位與光子之間的連接，需要的計算能力更少，并通過量子隱形傳態原理將信息傳輸到量子處理器和量子存儲器。

新方法滿足所有迪文森佐標準，這是量子計算機運行所需的標準，包括可擴展性、初始化、測量、通用門和長相干性。它還可應用于斯塔克偏移之外的其他磁場方案，在這些方案中可單獨操作量子位，并且它可防止常見類型的計算錯誤，如門錯誤或環境噪聲。

研究人員說，通過進一步提高單個量子操作和糾纏操作的分辨率，可實現大規模集成的鉆石量子計算機、量子存儲和量子傳感器。它還將提高用于長途量子通信和分布式量子計算機網絡或量子互聯網的量子中繼網的數據傳輸能力。(張佳欣)