科學家使用反饋控制技術來穩定量子比特
導言
量子計算一直是科技界的前沿話題。量子計算機，相對於傳統計算機有著超快速的優勢。但是，他們使用一種所謂疊加的特性，讓量子粒子和我們的直覺現象不同，在某種意義上，同時具有多於一種的物理狀態。
但是疊加是脆弱的，尋找保持疊加的途徑是開發大規模，普通量子計算機的主要障礙。在最近的自然雜誌上，麻省理工學院的研究人員，描述了一種新的策略，在一種人造鑽石製造的量子設備上，保持疊加。這個工作的意義是向可信賴的量子計算機邁出了可靠的一步。
使用反饋控制來保持量子疊加
在許多工程領域，保持物理系統穩定性的最佳方式是反饋控制。你進行測量，目前的航班線路，或者引擎的溫度，並且這個基礎上設計一種控制信號，推進系回到最初的狀態。
使用這種技術穩定量子系統的問題，是測量破壞了疊加。所以量子計算的研究人員，傳統地的都是沒有經過反饋的來做。
如何防止因為測量破壞疊加
麻省理工學院的核科學和工程系的助理教授Paola Cappellaro說，
「人們典型地使用開環控制，你可以首先決定如何控制系統，應用到控制器上，然後期望最佳，你對控制應用的系統知道的足夠多，將完成你想像中應該做的。反饋應該更加健壯的，因為它允許你做一些錯誤的事。」
在自然雜誌的論文上，Cappellaro，和她以前的博士研究生，Masashi Hirose，去年畢業，並且現在麥肯錫東京公司工作，一起描述了反饋控制系統，如何控制量子疊加，而並不需要測量。「並不是一個傳統意義上控制器，來實現反饋，而我們需要一個量子控制器，」Cappellaro解釋道。「因為控制器是量子的，我們並不需要測量來知道發生了什麼。」
空缺表達
Cappellaro和Hirose的系統，使用鑽石中一個稱為氮空缺中心的地方。一個純凈的鑽石由常規的晶格結構的碳原子組成。如果像人們希望的那樣，一個碳核從晶格中遺失，這就是空缺。如果一個氮原子在晶格中取代碳原子，並且碰巧和空缺相近，這就是（NV）中心。
和每個NV中心相連接的是鄰近原子中的一組電子，像所有的電子一樣，具有一種自旋的屬性，來描述他們的磁性方向。當在一個強磁場中，也就是說，永磁體放置在鑽石上，NV中心的電子旋轉可以上，下，或者兩種的量子疊加。它可以代表一個量子位，或者「qubit」，和普通計算機比特在性能上不一樣，不僅是0或者1，而是同時兩種狀態。
NV中心相對於其他的候選qubits具有幾個優點。他們是一種固有的物理結構功能，所以分配複雜的硬體，俘獲其他方法需要的離子或者原子。並且NV中心是自然光的發射器，讓它相對簡單地讀取信息。實際上，由NV中心激發的光子，可能他們自己在疊加中，所以他們提供一種途徑將移動量子信息。
局部控制
像電子一樣，原子核也有自旋，Cappellaro和Hirose使用氮核的自旋狀態，控制NV中心的電子自旋。首先，一定量的微波將電子自旋到疊加態。然後，無線電輻射爆發，讓氮核進入一個特殊的自旋狀態。
第二，低功耗微波「糾纏」氮核和NV中心進入一種自旋狀態，所以他們變得相互依賴。這個意義上，NV qubit可以，和其他qubit一起進行計算。但是在他們的實驗中，Cappellaro 和 Hirose 評估了單個qubit，所以他們可以只測試最基本的計算操作：或門，改變一個比特的值。
因為被糾纏的氮核和NV中心的自旋，如果任何事情在計算中發生錯誤，它將被氮核自旋的形式反饋。
在計算進行以後，第三劑微波，他的偏振相對於第二個進行旋轉，糾纏原子核和NV中心。研究人員然後讓系統進入了微波暴露的最後序列。這些暴露被校準，然而，他們的NV中心的作用依賴於氮核的狀態。如果一個錯誤在計算中發生，微波將糾正它。如果沒有，他們將讓NV中心的狀態保持不變。
在實驗中，研究人員發現，通過他們的反饋控制系統，NV中心的量子比特將保持疊加，長度是沒有疊加的1000倍。
「Cappellaro將光放在相干反饋方法中，理論上，可以在文獻中討論，但是一直沒有在實驗被證明，」德國斯圖加特大學的物理系的助理教授J?rg Wrachtrup說，「最好的東西就是她展示的，一但你行動正確，你將發現正確的演算法，她這麼做，最後這麼簡單地防止電子自旋反轉或移相。」
「和之前的報道的技術相比，這種技術的最大優點就是使用回聲保護自旋，是相對於噪音的魯棒性，」德國烏爾姆大學的物理教授Fedor Jelezko補充說，「這個技術展示了，Cappellaro小組對於噪音的時標並不敏感。我相信這個技術的應用將很快會出現，作為一種新的協議應用於量子測量和量子計算中。」
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