研究人员用光来操纵量子位

艺术家在钻石内透明电子旋转的全光控制的渲染。这种旋转与被称为氮空缺中心的钻石中的天然存在的缺陷相关联，用于量子信息处理的有希望的量子比特（QUBit）。在他们最近发表的论文中，Yale等人。仅使用仅光脉冲初始化，操纵和读出该量子位的电子旋转的技术。图片由彼得艾伦提供。

UC Santa Barbara研究人员开发了一种用于使用光脉冲控制半导体中的唯一的量子位的全光学方案，开启了朝向模拟量子计算机的新路径。

加利福尼亚州圣巴巴拉 - 通过使用光线，UC Santa Barbara的研究人员在钻石中操纵了钻石 - 空缺中心的单个原子尺寸缺陷的量子状态 - 在一种不仅允许更统一的控制的方法中常规过程，但更通用，并开辟了探索新的固态量子系统的可能性。他们的结果是在最新版本的本科学院校的诉讼程序中公布。

“与传统电子产品相比，我们开发了一种用于使用光脉冲控制半导体中的近距离量子位的全光学方案，”UCSB的闪铜器和量子计算中心主任David Awschalom表示，物理学和电气计算机工程教授以及加州纳米系统研究所的彼得J. Clarke总监。“这一发现提供了一种利用光子芯片处理和传送量子信息的有趣机会。”

氮空位（NV）中心是金刚石的原子结构的缺陷，其中金刚石晶格中的一个碳原子被氮原子取代，并且晶格中的相邻部位空置。围绕缺陷的所得到的电子旋转形成量子比特 - “QUBit” - 这是量子计算机的基本单元。当前过程要求将此量子位初始化为在与其接口的明确定义的能量状态。与古典计算机不同，其中基本信息，该比特是0或1，Qubits可以是0,1或任何数学叠加，允许更复杂的操作。

“我们试图解决的初始问题是，我们可以在一步中将我们的Qubit放入任何可能的国家叠加的方式，”本文的第一作者，物理研究生克里斯托弗·耶鲁斯。“除了能够通过调整与我们的旋转相互作用的激光相互作用来做到这一点之外，我们发现我们可以产生该旋转状态的相干旋转，并相对于我们选择的任何其他状态读出其状态只有光学过程。“

全光控控制允许更大的多功能性在操作使用微波场和利用特定于缺陷特定属性的不同传统方法中的NV中心。虽然钻石中的NV中心是一个有前途的Qubit，但在过去十年中已经过广泛研究，钻石对工程师挑战并成长。这种全光学方法称，研究人员可以允许探索在更具技术上成熟的其他材料中的量子系统。鲍勃布拉德说：“相比之下，这些技术在某些方面都是更一般的，可能是对未开发的量子系统的研究，”UCSB物理研究生鲍勃布拉克利说。

此外，全光学方法还具有更可扩展的潜力，注意到物理研究生大卫·克里斯齐。“如果您有一系列这些贵族符号，如果您正在应用传统的微波领域，则难以与其他人交谈，与其中一个人交谈。原则上，通过我们在理想化的光学系统中的技术，您将能够将灯光集中在一个Qubit上，只与它交谈。“

虽然实际量子计算机仍然是多年的距离，但研究开辟了最终创造的新道路。据该组织称，这些设备能够比当今计算机可以执行多种复杂的计算和功能，从当今的计算机可以导致领域的进步作为加密和量子仿真。

UCSB电气和计算机工程研究生F.Joseph veremans和博士后研究员Lee Bassett也为这项研究做出了贡献。德国康斯坦茨大学物理学教授Guido Burkard提供了额外的理论工作和洞察力。

出版物：Christopher G. Yale等人，“使用相干暗状态的固态旋转的全光控制”，2013年PNAS; DOI：10.1073 / PNAS.1305920110

图像：彼得艾伦