科学家用激光实现对量子比特多种操纵

最近，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校(UCSB)研究人员开发出一种技术，只用激光就能对量子比特初始化，并实现了多种操纵、读取电子自旋态等。这种方法不仅比传统方法更能实现统一控制，而且功能更多样，为探索新型固态量子系统打开了大门。相关论文发表在最新版的美国《国家科学院学报》上。

虽然实验用的量子比特是钻石中的瑕疵——氮晶格空位(NV)中心，但新技术能在更广泛的材料中操作。UCSB自旋电子学与量子计算机中心主管、物理学教授戴维·奥斯盖勒姆说：“与传统技术不同，我们开发的是一种利用激光脉冲在半导体内控制单个量子比特的全光策略。这将带来一个好机会，让人们有望用光子芯片处理和交流量子信息。”

传统方法是利用微波场和钻石瑕疵的特殊属性来操作，尽管NV中心是一种很有前景的量子比特，过去十年来一直被广泛研究，但要用工业或生长的方法造出所需钻石却是极大的挑战。全光控制让人们能更多样地操纵NV中心，这和传统方法完全不同，还能用其他材料来研究量子系统，制造这些材料的技术也更加成熟。UCSB物理学研究生鲍勃·巴克尔说：“这些技术将来会更普及，还可用于未曾探索过的量子系统。”

NV中心是钻石原子结构上的一种瑕疵，钻石晶格中一个碳原子被一个氮原子取代，使其附近空缺出一个晶格空位，围绕氮原子旋转的自旋电子就变成一个量子比特，即量子计算机的基本单位。传统技术要先把这一量子比特初始化，成为具有界限清晰的能量态，然后才能与其对接。传统计算机的基本信息单位是比特，要么是0要么是1;而量子比特可以同时是0和1，或者同时处于任何两个数学叠加位，允许研究人员进行更复杂的操作。

“最初我们是想找到一种方法，只需一步就把量子比特放在其状态中任何可能的叠加位。”论文第一作者、物理学研究生克里斯托弗·耶尔说，“结果我们只需调整与自旋电子相互作用的激光就实现了这一点，而且我们能产生自旋态的相干旋转，并读出电子的相对自旋状态。”

此外，全光方法还有升级的潜力。物理学研究生戴维·克里斯托指出：“假如你有一排按顺序排列的这种量子比特，当用传统的微波场方法时，很难在与其中任一个‘交谈’时不影响其他比特。理论上，在一个理想的光学系统中，新技术能把光线集中到单个量子比特上，只跟它‘交谈’。”

研究小组认为，虽然开发出实际的量子计算机还要再等几年，但新研究为这一最终目标开辟了新路径。量子计算设备能执行某些精密计算和复杂功能，比现有计算机效率高得多，将推动诸多领域进一步发展，如量子加密和量子模拟。