科研人員實現室溫固態可編程量子處理器

近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室首次在室溫大氣條件下實現基於固態自旋體系的可編程量子處理器。該研究成果以A programmable two-qubit solid-state quantum processor under ambient conditions為題，發表在1月25日的npj Quantum Information上[npj Quantum Information5, 9 (2019)]。

量子計算利用量子疊加性，能夠有效處理經典計算科學中許多難以解決的問題。可編程量子計算是量子計算走向實用化的一個重要條件。對於經典計算而言，用戶通常使用同一種硬體架構就可以靈活地完成多種多樣的計算任務。但是目前絕大多數量子計算實驗僅僅被設計來運行特定的量子演算法，如果要執行新的量子演算法，往往需要重新配置量子計算的硬體。可編程量子計算概念的提出就是用來解決這一問題，它能夠在不改變硬體的前提下，僅需要配置這些量子處理器的若干參數就可以實現各種不同的量子演算法。近年來，在離子阱、超導體系和硅量子點體系中已陸續演示了可編程量子計算。但由於室溫固態體系中的量子比特通常面臨嘈雜的雜訊，其量子相干性非常容易受到破壞，因此在室溫固態體系中開展可編程量子計算演示仍然是一項艱巨的挑戰。

杜江峰課題組利用金剛石中的電子自旋與核自旋作為兩量子比特體系，首次實現了室溫固態自旋可編程量子處理器。研究人員利用綠色激光脈衝實現該量子處理器的初始化和讀出功能，並利用一系列高精度的微波與射頻脈衝序列來執行量子演算法。他們設計了一類普適量子線路，將一系列量子演算法的執行轉化成為相應的微波和射頻脈衝的幅度和相位參數。對於用戶而言，僅需要對這一系列參數進行有效配置，就可以完成多種量子演算法，避免了繁瑣而且昂貴的硬體重新配置。在量子演算法執行過程中，研究人員結合前期發展的動力學解耦技術有效抑制固體中嘈雜的雜訊帶來的不利影響，在該可編程量子處理器上成功運行了 Deutsch-Jozsa 演算法和 Grover 搜索演算法，演算法的成功率超過80%。預期在未來，通過提升該量子處理器的材料（金剛石）性能，譬如降低13C的含量，將有助於進一步提升演算法的成功率。該工作展示了可編程量子處理器的靈活性，向構築室溫固態量子計算邁出了重要一步。

中科院微觀磁共振重點實驗室伍暘和王亞為該文並列第一作者。此項研究得到科技部、中科院和安徽省的資助。

兩比特 Deutsch-Jozsa 演算法實驗演示圖。(a) 兩比特可編程量子處理器普適量子線路圖。(b) 和 (c) 兩比特 Deutsch-Jozsa 演算法實驗結果，藍色為實驗結果，紅色為理想情況下的理論預期值，綠色為考慮實驗體系中各類雜訊影響的理論預期值。

來源：中國科學技術大學

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