MIT發現穩定量子比特的新方法，量子計算將邁向實用化

編者按：量子計算機是一種目前尚未實現的設備，雖然它進行某些計算的速度遠高於傳統計算機。它是基於反直覺的量子疊加原理，但是疊加效應很不穩定，因此尋找維持疊加效應的方法，是量子計算機走向實用化的主要障礙之一。

近日在《自然》雜誌上，麻省理工學院研究人員發表了一種方法，該方法能夠使由人造鑽石構成的量子器件來維持疊加狀態。這項工作將會是量子計算機邁向實用化的重要一步。

在很多工程領域，反饋是穩定一個物理系統的最好方式。你對物理系統的某個參數進行測量——例如，飛機的當前軌跡，或引擎的溫度——然後基於此，產生控制信號來操縱系統回到預設的狀態。

然而，測量行為會破壞疊加效應。因此長期以來，量子計算專家沒有考慮引入反饋。

「量子計算界一直以來採用開環控制方法，」《自然》雜誌論文通訊作者，麻省理工學院艾斯特-哈羅德·埃傑頓（Estherand Harold Edgerton）原子科學和工程副教授PaolaCappellaro說，「你設計好系統的狀態，然後應用控制器並祈禱最好的結果出現——如果你已經對可能干擾系統狀態的因素有了充分了解，那麼最好結果有可能會像你預想的那樣出現。但是，當你對系統干擾因素的認知不是十分全面時，反饋控制能夠更加可靠。」

在《自然》雜誌論文中，Cappellaro和他的博士研究生，目前在麥肯錫工作的Masashi Hirose報道了一種無須測量即可維持量子疊加的反饋控制方法。「我們提出了一種與傳統控制方法完全不同的量子控制方法，」Cappellaro解釋道。「因為控制方法本身是量子的，因此我們無須測量它的狀態。」

氮原子-空穴結構

這個系統應用了金剛石中的氮原子-空穴結構。純金剛石具有由碳原子組成的規則晶格結構。如果晶格中缺失一個碳原子，那麼一個空穴將產生。如果與此同時，與空穴相鄰的一個碳原子被一個氮原子取代，那麼就產生了一個氮原子-空穴結構。

每個氮原子-空穴結構周圍的碳原子能提供一組電子。這些電子具有自旋特性，該特性描述了它們的磁場方向。當電子處於強磁場中時（例如一塊金剛石附近的永久磁鐵），從屬於氮原子-空穴結構的電子可能會向上、向下，或者處於向上和向下的量子疊加態。這形成了一個狀態可以是0、1或量子疊加態的量子比特，與傳統計算機的比特顯著不同。

基於氮原子-空穴結構的量子比特（以下稱氮-空比特）與其他量子比特相比有顯著優勢。首先，氮-空比特利用了金剛石的自身特性，因此免除了其他量子比特用來約束原子或離子的複雜硬體設備。其次，氮-空比特自身可以發射光子，因此從其中讀取信息相對容易得多。特別是，由氮-空比特發射的光子可能自身處於量子疊加態，因此提供了一種量子信息傳輸方式。

本地控制機制

與電子一樣，原子核同樣存在自旋。Cappellaro 和 Hirose 使用氮原子的自旋態控制氮-空結構的電子自旋。首先，注入微波輻射使得電子的自旋處於疊加態。接下來，使用一串微波輻射脈衝使得氮原子處於某種特定的自旋態。

第二束功率更低的微波使得氮原子和氮-空結構所屬電子的自旋發生糾纏，至此，氮原子和氮-空結構的自旋狀態相互依賴。現在，氮-空比特可以用來進行量子計算。在實驗中，Cappellaro 和 Hirose 只測試了一個氮-空比特組成的非門。非門是最基本的邏輯原件，功能是將輸入的值取反。

因為氮原子和氮-空結構的自旋態是糾纏的，若計算過程存在擾動，則擾動會反應在氮原子的自旋態上。在計算完成後，第三束微波——其極化方向與第二束微波正交——使得氮原子和氮-空結構解除纏繞。研究人員將第四束微波射向系統，微波四在氮-空結構產生的效應取決於氮原子的狀態。如果計算存在錯誤，那麼微波四將修正該錯誤；如果計算無誤，那麼氮-空結構的狀態將不受影響。

實驗中，研究人員發現，在他們設計的反饋控制系統應用後，氮-空比特維持疊加態的時間比無反饋狀態時要長1000倍。

「Cappellaro實現了相干控制，一種文獻中已有討論，但從未在實驗中實現過的方法，」德國斯圖加特大學物理學家J?rg Wrachtrup評論，「這篇文章揭示的要點是：若針對某問題，你設計了正確的方案，並找到了合適的實現方法，那麼你會獲得很好的結果——用相對簡單的方式使電子自旋狀態免於翻轉和失相。」

「該技術相對於之前報道的技術——如用量子回波保護自旋狀態——能更有效地降低雜訊的影響，」德國烏爾姆大學物理學教授FedorJelezko評論，「特別地，

Cappellaro團隊的技術能更有效地降低高頻雜訊的影響。我相信該技術很快會實用化，成為量子計量學和量子計算領域的新標準。」

翻譯：離子心

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