物理所基于金刚石中氮-空位中心的量子计算研究获进展

中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）固态量子信息与计算实验室的潘新宇副研究员小组在国内率先开展基于氮-空位中心量子计算研究，自主设计搭建了三套由激光扫描、荧光收集、旋转磁场和射频微波脉冲控制组成的量子调控系统。基于该实验系统，通过与多个理论小组的合作交流，完成了一系列实验研究。他们首次在室温下固态体系中实现了最优化相位量子克隆机【Applied Physics Letters 99, 051113 （2011）】；在进一步掌握了更精确的量子态相位控制技术之后，演示了对BB84协议中四个基本态的量子克隆操作【Scientific Reports 3, 01498 （2013）】；首次在室温下观测到可控的量子涨落效应【Scientific Reports 2, 432 （2012）】。

金刚石中的氮-空位中心（Nitrogen-Vacancy center）是实现量子计算的优良载体。在纯净的金刚石中，一个氮原子取代碳原子，与相邻格点中存在的空位（见图1）会形成氮-空位中心。氮-空位中心具有如下特征：（1）在室温下具有很长的电子自旋退相干时间；（2）用激光激发、微波操控和荧光读出可以实现量子态的高保真度制备、操控及读取；（3）与周围核自旋形成丰富的超精细相互作用环境。这些独特的性质使得氮-空位中心在量子计算、高空间分辨率的弱磁探测（单分子NMR）和温度探测等方面拥有巨大的应用价值。

为了实现真正意义上的量子计算，延长量子比特的相干时间以及实现复合（扩展）比特的相干操作是主要挑战。氮-空位中心近邻的核自旋是实现扩展量子计算的优良媒介，同时也是造成中心电子自旋退相干的主要原因。常规的动力学解耦技术（Dynamical Decoupling）可以有效延长中心电子自旋的相干时间，但也会不可避免地影响电子自旋和核自旋的相互作用，而这种相互作用又是实现复合比特量子逻辑门（Quantum Gate）的必备条件，所以同时实现中心电子自旋相干性保护和量子逻辑门是非常困难的。

为了解决这一矛盾，固态量子信息与计算实验室潘新宇副研究员、博士生刘刚钦与香港中文大学刘仁保教授和Hoi Chun Po同学等合作，提出用动力学解耦来直接实现的量子逻辑门的方案（Quantum Gate by Dynamical Decoupling）。这个方案仅需要给氮-空位中心的电子自旋施加特定间隔的动力学解耦脉冲，就能在保护电子自旋相干性的同时，引导邻近的13C核自旋完成特定的演化（见图3），进而实现普适的量子逻辑门操作。他们理论设计并在实验上演示了这一方案中的受控非门（controlled-NOT Gate），用该量子逻辑门实现了电子自旋和核自旋的最大纠缠态的制备，末态（Bell State）保真度达到了91%。他们还进一步测试了该量子逻辑门的多次操作效果，发现它能将电子自旋相干时间延长30倍以上（见图4）。这一创新技术可以推广到其它需要用动力学解耦来延长相干时间的量子计算体系中，具有普适意义。相关研究结果发表在近期【Nature Communications, 4, 2254, doi:10.1038/ncomms3254 （2013）】上。

上述工作得到了科技部“973”项目、中国科学院和国家自然科学基金的大力支持。

图1  金刚石氮空位中心电子自旋和近邻13C核自旋构成的双比特系统以及用动力学解耦脉冲来引导系统演化

图2  数值计算优化的5种量子逻辑门的表现。

图3  实验上对C-NOT门的演示，以高保真度制备了Bell态。

图4  在进行量子逻辑门操作的同时，中心电子自旋的相干时间被延长了30倍。