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科学家实现零磁场下金刚石量子存储器的量子纠错


时间:2022-05-01  来源:  作者:  点击次数:


近日,科学家首次实现了金刚石量子存储器在零磁场下的量子纠错。

与传统计算机相比,科学家认为量子计算机在特定的复杂问题上可以运行数千倍,并可能实现化学、密码学、金融、制药等领域的创新。因此,科学家们正在寻找构建量子计算机网络的方法。其中,容错量子存储器将发挥重要作用,因为它在硬件和软件出现故障时仍具有良好的响应能力。

当科学家操纵基于核自旋的量子存储器时,他们需要磁场。但是磁场阻碍了超导量子位的集成。量子比特是量子计算机中信息存储的基本单位,类似于传统计算机中的二进制比特。

日本横滨国立大学(YNU)的研究小组正在探索一种具有操作或环境容错能力的量子存储器。该团队研究了钻石(毛坯钻石)中的氮空位色心(NV色心),以进一步开发容错量子计算机技术。

NV色心是金刚石晶体结构中最常见的点缺陷,也是目前最具代表性的量子体系。NV色心作为一种重要的量子材料,是一种自旋自由度光学可调的原子级固态器件。具有固态量子处理器中的量子比特、量子探测器等核心功能,有望在量子计算等一系列应用中发挥作用。

这一次,前述团队利用零磁场下具有两个碳同位素核自旋的金刚石的氮空位色心,证明了量子存储器中的量子容错。相关结果最近发表在《通讯-物理》(通信物理)上。

为了扩大基于超导量子比特的量子计算机的规模,团队必须在零磁场下工作。当磁场发生变化时,影响量子比特的误差一般有两种:比特翻转和相位翻转。

团队通过三维线圈抵消了包括地磁场(地球内部存在的天然磁现象)在内的剩余磁场,测试了零磁场下存在比特翻转和相位翻转误差的三个量子比特的量子纠错。证明了前述量子存储器在纠错编码后出现错误时可以自动纠错。

以前量子容错是在比较强的磁场中研究的。横滨国立大学的研究团队首次在没有磁场的情况下演示了电子和核自旋的量子操控。

“量子纠错使量子存储器对没有磁场的操作或环境具有容错能力,为分布式量子计算、基于存储的量子接口或中继器的量子网络开辟了道路。”横滨国立大学教授、论文主要作者小坂秀夫(Hideo Kosaka)说。

上述成果可应用于大规模分布式量子计算机和远距离量子通信网络的构建,如连接超导量子比特、基于核自旋的量子存储器等易受磁场影响的量子系统。

在未来,该团队计划进一步扩展其研究技术。小坂说,“我们希望开发超导和光子量子比特之间的量子接口,实现大规模容错量子计算机。”


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