MIT系统“招募”缺陷以简化量子设备的扩展

麻省理工学院的一个小组找到了一种“招募”钻石中通常具有破坏性的量子位（qubit）的方法，来帮助进行量子操作。这种方法可以用来帮助扩大量子计算系统的规模。

系统“征募”通常会导致中断的缺陷，使用它们来执行量子运算。

为了帮助研究人员扩大量子设备的规模，麻省理工学院的研究小组开发了一种“招募”由钻石中纳米级缺陷构成的相邻量子位的方法，以使它们不会引起破坏，而有助于进行量子操作。

量子设备使用称为“量子位”的量子位执行操作，量子位可以表示对应于经典二进制位的两个状态（0或1）或两个状态的“量子叠加”。独特的叠加状态可以使量子计算机解决传统计算机几乎无法解决的问题，从而有可能推动生物传感，神经影像，机器学习和其他应用领域的突破。

一种有前途的量子位候选物是钻石中的一种缺陷，称为氮空位（NV）中心，该缺陷包含可以被光和微波操纵的电子。作为响应，缺陷发射出可以携带量子信息的光子。但是，由于其固态环境，NV中心总是被许多其他具有不同自旋特性的未知缺陷所包围，这些缺陷被称为“自旋缺陷”。当可测量的NV中心量子位与那些自旋缺陷相互作用时，量子位将失去其连贯的量子状态-“退相”-并且操作会分解。传统解决方案试图识别这些破坏性缺陷，以保护量子位免受这些缺陷的影响。

在2020年2月25日发表在《 Physical Letters Review》上的一篇论文中，研究人员描述了一种使用NV中心探测其环境并发现附近几个自旋缺陷的方法。然后，研究人员可以查明缺陷的位置并控制它们以实现一致的量子态-本质上是利用它们作为额外的量子位。

在实验中，研究小组生成并检测了三个电子自旋之间的量子相干性-将量子系统的大小从单个量子位（NV中心）扩大到三个量子位（添加两个附近的自旋缺陷）。研究人员说，这些发现证明了在利用NV中心扩大量子器件规模方面迈出了一步。

“在与NV中心交互的环境中，您总是有未知的自旋缺陷。我们说，“让我们不要忽视这些自旋缺陷，这些缺陷（如果不加考虑的话）可能会导致更快的去相干性。让我们了解它们，表征它们的自旋，学会控制它们，并将它们“招募”为量子系统的一部分。工程学，量子工程小组的成员。“然后，我们可以使用两个，三个或四个量子位，而不是使用单个NV中心（或仅一个量子位）。”

加州理工学院的主要作者亚历山大·库珀（Alexandre Cooper）十六岁，也是与Sun共同撰写的论文。 Jean-Christophe Jaskula，麻省理工学院电子研究实验室（RLE）的研究科学家，麻省理工学院量子工程小组成员； Paola Cappellaro，核科学与工程系教授，RLE成员，麻省理工学院量子工程小组负责人。

表征缺陷

NV中心出现在钻石晶格结构中两个相邻位置的碳原子缺失的地方-一个原子被氮原子取代，另一个空间是空的“空位”。NV中心本质上是一个原子，具有原子核和周围的电子，它们对周围电场，磁场和光场的微小变化极为敏感。例如，将微波扫过中心，使其改变，从而控制原子核和电子的自旋状态。

使用一种磁共振波谱法测量自旋。这种方法以兆赫为单位绘制电子和原子核自旋的频率，将其作为“共振谱”，像心脏监测器一样会出现骤降和尖峰。NV中心在特定条件下的自旋是众所周知的。但是周围的自旋缺陷是未知的并且难以表征。

在他们的工作中，研究人员识别，定位并控制了NV中心附近的两个电子核自旋缺陷。他们首先发送特定频率的微波脉冲以控制NV中心。同时，他们脉冲另一个微波，该微波探测周围环境的其他自旋。然后，他们观察了与NV中心相互作用的自旋缺陷的共振光谱。

当探测脉冲与附近的电子-核自旋相互作用时，光谱会浸入几个点，表明它们的存在。然后，研究人员以不同的方向扫过整个区域的磁场。对于每个方向，缺陷将以不同的能量“旋转”，从而导致频谱出现不同的下降。基本上，这使他们能够测量每个缺陷相对于每个磁取向的自旋。然后，他们将能量测量值插入参数未知的模型方程中。该方程用于描述磁场下电子核自旋缺陷的量子相互作用。然后，他们可以求解方程式以成功表征每个缺陷。

定位和控制

在表征缺陷之后，下一步是表征缺陷与NV之间的相互作用，这将同时查明它们的位置。为此，他们再次以不同的方向扫描磁场，但是这次寻找的是描述两个缺陷与NV中心之间相互作用的能量变化。互动越强，彼此之间的距离就越近。然后，他们利用这些相互作用强度来确定缺陷相对于NV中心以及彼此之间的位置。这样就生成了钻石中所有三个缺陷位置的良好映射。

表征缺陷及其与NV中心的相互作用可实现全面控制，其中涉及几个步骤进行演示。首先，他们用一系列绿光和微波脉冲激励NV中心和周围环境，这有助于使这三个量子比特处于众所周知的量子状态。然后，他们使用另一个脉冲序列，理想情况下，它们会短暂地纠缠三个量子位，然后将它们解开，从而使它们能够检测出量子位的三轴相干性。

研究人员通过测量共振频谱中的一个主要尖峰来验证三轴相干性。记录的尖峰的测量本质上是三个量子位的频率之和。例如，如果三个量子位几乎没有纠缠或没有纠缠，那么将有四个单独的高度较小的尖峰。

“我们进入了一个黑匣子（每个NV中心的环境）。但是，当我们探究NV环境时，我们开始看到骤降，并想知道哪种类型的自旋会给我们带来这些骤降。一旦我们[找出]未知缺陷的自旋，以及它们与NV中心的相互作用，我们就可以开始控制它们的一致性。” Sun说。“然后，我们对量子系统有了完全的通用控制。”

接下来，研究人员希望更好地了解量子比特周围的其他环境噪声。这将帮助他们为量子电路开发出更强大的纠错码。此外，由于平均而言，在钻石中创建NV中心的过程还会产生许多其他自旋缺陷，因此研究人员表示，他们有可能扩大系统规模，以控制甚至更多的量子位。“随着规模的增长，它变得越来越复杂。但是，如果我们能够找到具有更多共振尖峰的NV中心，则可以想象开始控制越来越大的量子系统。” Sun说。

参考：Alexandre Cooper，Won Kyu Calvin Sun，Jean-Christophe Jaskula和Paola Cappellaro撰写的“钻石中电子-核自旋缺陷的识别和控制”，2020年2月25日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.083602