由钻石NV中心的电子或氮自旋组成的量子存储器，可以通过光单独访问并由微波精确操纵。学分：横滨国立大学
量子计算是一个依靠量子力学原理来计算结果的领域，有可能执行对传统计算机来说过于复杂的任务，并以高速速度完成，使其在某些方面成为科学和工程的新领域。为了达到量子计算机能够满足其预期性能潜力的程度，需要开发大规模量子处理器和量子存储器。精确控制量子比特（或量子比特，量子计算机的基本构建块）对于做到这一点至关重要，但是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已经找到了一种精确控制量子比特的方法，而不受以前的限制。他们的研究结果于2022年7月26日发表在《自然光子学》上。
“微波通常用于单独的量子控制，但微波线路的单独布线是必需的，”论文通讯作者Hideo Kosaka说，他是高级科学研究所量子信息研究中心主任，横滨国立大学工程研究生院物理系教授。“另一方面，可以用光在局部操作量子比特，但不精确。
Kosaka和其他研究人员能够通过微波操纵和原子和分子跃迁频率的局部光学移位的组合来操纵电子自旋来证明对量子比特的控制，这一过程称为斯塔克位移，使用钻石中的氮空位中心（一种点缺陷）。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，以克服以前的局限性。
研究人员还能够证明，这种对电子自旋的控制可以反过来控制氮原子在氮空位中心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。
“光和微波的同时照射可以单独精确地控制量子比特，而无需单独布线，”Kosaka说。“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 – 一种粒子以相同状态存在的状态，即使它们在物理上是分离的 – 以准备光子状态以转移到核自旋状态。这允许与光子的量子位间连接，最终将需要更少的计算能力，并通过量子隐形传态原理将信息传输到量子处理器和量子存储器。
新方法满足了所有DiVincenzo标准，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频移之外的其他磁场方案，以在这些情况下单独操作量子位，并且可以防止常见类型的计算错误，例如门错误或环境噪声。
“与全光学方案相比，我们的方案的保真度得到提高的原因是使用了更容易控制的过度自由度，”Kosaka说，他指的是可以使用这种方法控制的变量数量。
根据研究人员的说法，这一进步是朝着更大规模的量子计算迈出的一步。
“通过进一步提高单个量子操作和纠缠操作的分辨率，可以实现大规模集成金刚石量子计算机，量子存储和量子传感器，”Kosaka说。“它还将提高量子中继器网络在长途量子通信和分布式量子计算机网络或量子互联网方面的数据传输能力。
该论文的其他作者是横滨国立大学高级科学研究所的Yuhei Sekiguchi，以及横滨国立大学工程研究生院物理系的Kazuki Matsushita和Yoshiki Kawasaki。
更多信息：Hideo Kosaka，光学可寻址的钻石自旋上的通用全息量子门，Nature Photonics（2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01038-3.www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3
期刊信息：自然光子学
