在金刚石中首次实现容错量子运算处理,为室温量子计算机开辟道路

新技术 2018年08月27日
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在日本科学技术振兴机构(JST)的战略性创造研究推进事业中,横滨国立大学利用金刚石中氮空位中心(NV中心)的电子和核子的自旋作为量子比特,在室温完全无磁场的条件下,全球首次成功实现了万能的量子门操作,可以耐受操作误差和环境噪声,能自由进行多量子操作。通过利用几何学性质,无需实施以前必不可少的纠错,能进行任意精度的量子操作。这种独特的量子比特完整量子门操作被命名为几何学量子比特,可以容错,能以更高的速度进行高精度运算。

如何克服量子比特的脆弱性一直是实现量子计算机和量子加密通信的课题,从操作的准确性和信息保留时间的角度来看,金刚石中的NV中心存在的自旋量子比特被认为有望解决这个课题。本研究开发了一种独特的量子门操作技术,与以往的量子比特不同,采用没有能量差的两种自旋状态作为量子比特。

此次的研究成果有望为各种量子信息器件的实现开辟道路,比如在室温下工作的万能量子计算机和量子模拟器、在量子加密通信中使之联网所需的量子继电器、量子传感、量子测量及IoT安全设备等。

在这项研究中,研发小组完全排除了磁场,采用没有能量差的向上和向下自旋作为量子比特。由于没有能量差,操作变得困难,但可获得对操作误差和环境噪声的耐受性。研发小组提出的方案是,通过2条正交导线向NV中心无能量差的自旋量子比特施加“偏振微波”,进行几何学量子操作,由此成功完成了量子门操作实验。这种自旋量子比特操作方法被命名为“几何学量子比特”,能解决此前存在的操作误差的课题,可以无限提高操作精度(图1)。

利用金刚石中的氮空位中心(NV中心)和偏振微波控制几何学量子比特的概略图

图1:利用金刚石中的氮空位中心(NV中心)和偏振微波控制几何学量子比特的概略图

相关研究成果于2018年8月13日(英国时间)发布在《自然通讯》(Nature Communications)的在线版上。

文 客观日本编辑部

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