向通用量子計算機又邁進了一步

研究人員已經在室溫下的零磁場下展示了完整量子門，這將實現快速和容錯的通用量子計算機。

這是一個金剛石中的氮空位(NV)中心，帶有兩條交叉線，用於幾何自旋量子位上的完整量子門，帶有偏振微波。圖片來源：橫濱國立大學

量子計算機是一種功能強大的機器，有可能比現在的傳統計算機更快地解決複雜問題。研究人員目前正致力於量子計算的下一步：構建通用量子計算機。

發表在Nature Communications雜誌上的論文，報道了在電子或氮原子核上的幾何自旋量子比特上的非絕熱(non-adiabatic)和非阿貝爾(non-abelian)完整量子門的實驗證明，這為實現通用量子計算機鋪平了道路。

幾何相位目前是量子物理學中的一個關鍵問題。在退化基態系統中，完整量子門純粹操縱幾何相位被認為是構建容錯通用量子計算機的理想方法。幾何相位門或完整量子門已經在幾個量子系統中進行了實驗證明，包括金剛石中的氮空位(NV)中心。然而，先前的實驗需要微波或光波來操縱非退化子空間(non-degenerate subspace)，由於動態相多餘的干擾(unwanted interference)導致門保真度(gate fidelity)的降低。

「為了避免多餘的干擾，我們使用三重自旋三態粒子(qutrit)的退化子空間(degenerate subspace)在NV中心形成一個理想的邏輯量子比特，我們稱之為幾何自旋量子比特。這種方法可以在低於10K的溫度下實現快速精確的幾何門，並且門的保真度受到輻射弛豫(radiative relaxation)的限制。」橫濱國立大學教授Hideo Kosaka說。「基於這種方法，結合極化微波，我們成功地在室溫下的零磁場下操縱金剛石中NV中心的幾何相位。」

該小組還展示了一個雙量子比特的完整門，通過操縱電子-原子核糾纏來顯示普遍性。該方案呈現了純粹的完整門，不需要能隙，這會引起動態相位干擾降低門保真度，從而能夠精確快速地控制長壽命量子存儲器，實現量子中繼器在通用量子計算機和安全通信網路之間的介面連接。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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