开发量子计算设备更容易缩放的方法

麻省理工学院研究团队已经开发了一种“招募”镶嵌钻石中纳米级缺陷的量子位的方法，因此他们有助于进行量子操作。此前进可以帮助研究人员扩展量子计算设备。

量子器件使用量子位执行操作，称为“QUBITS”，其可以表示与经典二进制位相对应的两个状态 - 两个状态的0或1或“量子叠加”。独特的叠加状态可以使量子计算机能够解决实际上不可能对经典计算机的问题，可能刺激生物传感，神经影像，机器学习和其他应用中的突破。

一个有希望的Qubit候选者是钻石的缺陷，称为氮气空位（NV）中心，其保持可以通过光和微波操纵的电子。作为响应，缺陷发射可以承载量子信息的光子。然而，由于它们的固态环境，NV中心总是被许多其他未知缺陷所包围，不同的旋转性质，称为“自旋缺陷”。当可测量的NV中心QUB与这些旋转缺陷相互作用时，Qubit失去了其相干量子状态 - “脱歇” - 并且操作分开。传统解决方案试图确定这些中断缺陷以保护QUBBit。

研究人员描述了一种使用NV中心来探测其环境的方法，并揭示了几种附近的旋转缺陷的存在。然后，研究人员可以确定缺陷的位置并控制它们以实现相干量子状态 - 基本上利用它们作为额外的额度。

在实验中，团队在三个电子旋转中产生和检测量子一致性 - 从单个Qubit（NV中心）将量子系统的大小缩放到三个Qubits（添加两个附近的旋转缺陷）。研究人员说，调查结果表明，在使用NV中心缩放量子器件的前进。

“在与NV中心互动的环境中，您始终拥有未知的旋转缺陷。我们说，“让我们不要忽视这些旋转缺陷，其中[如果单独]可能会导致更快的干式堵塞。Let’s learn about them, characterize their spins, learn to control them, and ‘recruit’ them to be part of the quantum system,’” said Won Kyu Calvin Sun, a graduate student in the Department of Nuclear Science and Engineering and a member of the Quantum Engineering group. “Then, instead of using a single NV center [or just] one qubit, we can then use two, three, or four qubits.”

表征缺陷

发生NV中心，其中缺少金刚石晶格结构中的两个相邻位置的碳原子 - 一个原子被氮原子取代，另一个空间是空的“空缺”。NV中心基本上用作原子，其中核和周围电子对周围电气，磁和光学领域的微小变化非常敏感。例如，扫过中心的微波使其变化，从而控制核和电子的旋转状态。

使用一种磁共振光谱测量旋转。该方法绘制了梅格赫兹中的电子和核旋转的频率，作为可以倾向和尖峰的“共振光谱”，如心脏监测器。在某些条件下，NV中心的旋转是众所周知的。但周围的旋转缺陷是未知的并且难以表征。

在他们的工作中，研究人员确定，位于NV中心附近的两种电子核自旋缺陷。他们首先在特定频率下发送微波脉冲以控制NV中心。同时，它们脉冲另一个微波，探测其他旋转的周围环境。然后，它们观察到与NV中心相互作用的旋转缺陷的共振谱。

当探测脉冲与附近的电子核旋转相互作用时，光谱浸入若干点中，表明它们存在。然后，研究人员以不同的取向横跨该区域横跨磁场。对于每个方向，缺陷将在不同的能量下“旋转”，导致光谱中的不同点。

这使得它们可以测量每个缺陷与每个磁取向的旋转。然后，它们将能量测量堵塞到具有未知参数的模型方程中。该等式用于描述磁场下的电子核自旋缺陷的量子相互作用。然后，他们可以解决方程成功地表征每个缺陷。

定位和控制

在表征缺陷之后，下一步骤是表征缺陷与NV之间的相互作用，这同时针对其位置。为此，它们再次以不同的取向扫过磁场，但这时间寻找描述两个缺陷和NV中心之间的相互作用的能量的变化。

互动越强，他们彼此越近。然后，它们使用那些相互作用的优势来确定缺陷所在的位置，相对于NV中心和彼此相比。这产生了钻石中所有三种缺陷的位置的良好地图。

表征缺陷及其与NV中心的互动允许完全控制，这涉及更少的步骤来证明。首先，它们用一系列绿光脉冲和微波泵泵送NV中心和周围环境，有助于将三个Qubits放在众所周知的量子状态。然后，他们使用另一个脉冲序列，理想地简要地缠绕三个贵族，然后解开它们，这使得它们能够检测Qubits的三个自旋相干性。

研究人员通过测量共振光谱中的主要尖峰来验证了三旋转的相干性。记录的尖峰的测量基本上是三个Qubits频率的总和。例如，例如，例如三个Qubits几乎没有纠缠，则存在四个较小的高度的单独尖峰。

“我们进入一个黑色盒子[每个NV中心的环境]。但是，当我们探讨NV环境时，我们开始看到逢低，并奇异于哪种类型的旋转给我们这些逢低。一旦我们[弄清楚]未知缺陷的旋转，以及他们与NV中心的相互作用，我们可以开始控制他们的一致性，“太阳说。“然后，我们完全普遍控制我们量子系统。”

接下来，研究人员希望更好地了解额外的其他环境噪音。这将帮助它们为量子电路开发更强大的错误纠正码。此外，由于平均在钻石中的NV中心创建过程创造了许多其他自旋缺陷，因此研究人员表示，他们可能会扩大系统以控制更多Qubits。

“它与比例变得更加复杂。但是，如果我们可以开始使用更多的共振尖峰找到NV中心，可以想象开始控制更大更大的量子系统，“孙说。

马萨诸塞州理工大学（麻省理工学院）

www.mit.edu.

- 由Chris Vavra，Associate Editor编辑，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com.。查看更多控制工程关于下面量子计算的故事。