近日，科學(xué)家首次在零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了金剛石量子存儲(chǔ)器的量子糾錯(cuò)。

圖1.金剛石中的氮-空位色心作為量子存儲(chǔ)器，通過(guò)糾錯(cuò)編碼實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾錯(cuò)

       與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)在特定復(fù)雜問(wèn)題上的運(yùn)行速度可以快幾千倍，并可能在化學(xué)、密碼學(xué)、金融、制藥等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。因此，科學(xué)家正在尋找構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方法。其中，容錯(cuò)量子存儲(chǔ)器將發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗谲浻布l(fā)生故障時(shí)依然具有良好的響應(yīng)能力。當(dāng)科學(xué)家操控基于核自旋的量子存儲(chǔ)器時(shí)，需要用到磁場(chǎng)。但磁場(chǎng)阻礙了超導(dǎo)量子比特的集成。量子比特是量子計(jì)算機(jī)中信息存儲(chǔ)的基本單位，類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制位。

       日本橫濱國(guó)立大學(xué)(YNU)研究組正在探索一種對(duì)操作或環(huán)境具有容錯(cuò)能力的量子存儲(chǔ)器。團(tuán)隊(duì)研究了金剛石（鉆石的原石）中的氮-空位色心（NV色心），以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)。

       NV色心是一種在金剛石晶體結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷，是當(dāng)前最具代表性的量子體系。作為重要的量子材料，NV色心是原子級(jí)別的固態(tài)設(shè)備，擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中具有量子比特和量子探測(cè)器等核心功能，并有望在量子計(jì)算等一系列應(yīng)用中發(fā)揮作用。

       此次，前述團(tuán)隊(duì)在零磁場(chǎng)下利用具有兩個(gè)碳同位素核自旋的金剛石氮-空位色心，在量子存儲(chǔ)器中證明了量子容錯(cuò)。相關(guān)成果近日發(fā)表在《通訊-物理》(Communications Physics)。

圖2.有磁場(chǎng)和零磁場(chǎng)情況下的碳自旋操控

       當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生兩種影響量子比特的錯(cuò)誤：比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)三維線圈來(lái)抵消包括地磁場(chǎng)（地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象）在內(nèi)的殘余磁場(chǎng)，在零磁場(chǎng)下測(cè)試了針對(duì)比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的三個(gè)量子比特的量子糾錯(cuò)，證明前述量子存儲(chǔ)器經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)編碼，可以在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)自動(dòng)糾錯(cuò)。以往的研究都是在相對(duì)較強(qiáng)的磁場(chǎng)下研究量子容錯(cuò)，橫濱國(guó)立大學(xué)研究組首次展示了在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下對(duì)電子和核自旋進(jìn)行量子操作。

圖3.三個(gè)量子比特量子糾錯(cuò)(QEC)的量子電路，用于糾正比特翻轉(zhuǎn)(a)和相位翻轉(zhuǎn)(b)錯(cuò)誤

       橫濱國(guó)立大學(xué)教授、論文主要作者Hideo Kosaka說(shuō)道。前述成果可以應(yīng)用于構(gòu)建大規(guī)模分布式量子計(jì)算機(jī)和長(zhǎng)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)，例如將超導(dǎo)量子比特、基于核自旋的量子存儲(chǔ)器等易受磁場(chǎng)影響的量子系統(tǒng)連接起來(lái)。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將研究技術(shù)進(jìn)一步拓展。Kosaka表示，“我們希望開(kāi)發(fā)出超導(dǎo)和光子量比特之間的量子接口，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)?！?/p>