金刚石量子计算的突破：首次实现完整的通用量子门

能够单独控制固态晶体（例如金刚石）中的许多自旋是开发大规模量子处理器和存储器的一种很有前景的技术。局域激光场通过自旋-轨道耦合为电子自旋操纵提供了空间选择性，但很难同时实现精确和通用操纵。

现在，日本横滨国立大学的研究人员找到了一种精确控制金刚石量子比特的方法，而不受先前的限制。7月26日，研究成果以《金刚石自旋上的光学可寻址通用完整量子门》为题[1]发表在《自然-光子学》杂志上。

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光学方法和微波控制相结合

“微波通常用于单个量子控制，但需要对微波线路进行单独布线。”论文通讯作者、横滨国立大学先进科学研究所量子信息研究中心主任、物理系教授Hideo Kosaka说[2]：“另一方面，可以用光在局部、但不精确地操纵量子比特。”

Kosaka和其他研究人员能够证明，通过结合微波操纵和原子-分子跃迁频率的局部光学偏移（斯塔克偏移，Stark shift）、利用金刚石中的氮空位中心，来操纵电子自旋进而控制量子比特。换句话说，他们能够将依赖激光器发光的光学方法与微波相结合，以克服先前的限制。

研究人员还能够证明，这种对电子自旋的控制反过来可以控制氮空位中心氮原子的核自旋，以及电子和核自旋之间的相互作用。这很有意义，因为它能够精确控制量子比特，而不存在布线问题。

a）光学可寻址通用整体门的原理及装置的几何形状；b）带有NV中心自旋子级的电子级结构；c）显示频移的光学检测磁共振（ODMR）光谱；d）光学斯塔克偏移与激光功率的关系；e）没有寻址激光的自旋动力学；f）有寻址激光的自旋动力学。

光学可寻址通用单量子比特操作的实验演示。（a,b,c）通过量子过程断层扫描重建的χ矩阵，显示了Pauli-X,Y和Z门操作；（d,e）显示了可光学寻址的量子态制备示意图和实验结果；（f）实验结果显示光学可寻址量子态初始化；（g）显示自旋与可光学寻址的Pauli-Y门实验结果。

“光和微波的同时照射能够实现对量子比特的单独和精确控制，而无需布线。”Kosaka说：“这为大规模量子处理器和量子存储器铺平了道路，对开发大规模量子计算机至关重要。”

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光子和量子比特间建立连接

此外，研究人员能够在电子和核自旋之间建立“量子纠缠”，以将一个光子状态转移到核自旋状态。这允许与光子进行量子比特间连接，最终将需要更少的计算能力，并能够通过量子隐形传态的原理将信息传输到量子处理器和量子存储器。

光学可寻址纠缠的产生。（a,d）用于光学寻址纠缠产生的脉冲序列；（b,e）能级结构和NV中心的电子-氮核自旋的状态转换；（c,f）通过量子状态断层扫描得到的密度矩阵的绝对值。

新方法满足所有“DiVincenzo准则”——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偏移之外的其他磁场方案，以在这些场景中单独操纵量子比特，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。

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迈向大规模量子计算

“我们的方案比全光学方案的保真度提高的原因是使用了更容易控制的多余自由度，”Kosaka说，自由度指的是使用这种方法可以控制的变量数量。

这一进步是朝着更大规模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，“它还将提高长距离量子通信的量子中继网络、分布式量子计算机网络或量子互联网的数据传输能力。”

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3

https://sciencesources.eurekalert.org/news-releases/959951