傳統(tǒng)電子上的比特位是經(jīng)典的二進(jìn)制的1或0狀態(tài)存在，而更為豐富的量子位資源，或由向量表示的'量子位'，指1和0狀態(tài)同時(shí)聯(lián)合。為了完全實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位，有必要控制這種量子位矢量的方向，這通常是使用微調(diào)和噪聲隔離程序進(jìn)行的。
在芝加哥大學(xué)的分子工程學(xué)院和康斯坦茨大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明，能產(chǎn)生量子邏輯運(yùn)算或量子比特位循環(huán)，這是令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，在本質(zhì)上是對(duì)噪聲的彈性以及對(duì)變化的強(qiáng)度或持續(xù)時(shí)間的控制。他們的成就是基于被稱為貝里相位幾何的概念，并完全是通過光學(xué)手段在鉆石中的單一電子自旋實(shí)現(xiàn)。
他們的研究發(fā)表在《自然光子學(xué)》2016年2月15日的網(wǎng)絡(luò)版，并將在三月份刊印。 “特別是與傳統(tǒng)的電子相比較，我們傾向于認(rèn)為量子操作是很脆弱的且容易受到噪音影響的，” 領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的大衛(wèi)·奧沙隆提到，他也是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分子工程教授和資深科學(xué)家。 “相比之下，我們的做法顯示出了令人難以置信的抵御外部影響和滿足了任何實(shí)際量子技術(shù)的關(guān)鍵要求。”
當(dāng)一個(gè)量子力學(xué)的對(duì)象，如電子，沿一些環(huán)路循環(huán)，它將會(huì)保留對(duì)所經(jīng)過路徑的記憶即貝里相位。為了更好地理解這一概念，傅科擺作為大多數(shù)科技館都有的儀器可以幫助我們直觀理解這一概念。鐘擺，像那些落地座鐘一樣，通常在一個(gè)固定的平面內(nèi)來回振蕩。然而，一個(gè)傅科擺在一天的過程中由于地球的旋轉(zhuǎn)而在平面上來回?cái)[動(dòng)，進(jìn)而敲在一系列環(huán)繞擺放的針腳上。
所敲引腳的數(shù)量是鐘擺在振蕩平面上總角量，從而獲得幾何相位。從本質(zhì)上講，由于地球的旋轉(zhuǎn)沿著一個(gè)特定的封閉路徑，即其緯線圈，這種移動(dòng)直接關(guān)系到地球表面擺的位置。而該角移取決于特定路徑，奧沙隆說到，它不依賴于地球的旋轉(zhuǎn)速度或擺的振蕩頻率。
“同樣，貝里相位是量子系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的類似路徑相關(guān)的旋轉(zhuǎn)，它顯示出了在量子信息處理中可作為一個(gè)強(qiáng)大的操縱量子比特狀態(tài)的一種有前景的手段，”他說。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員操縱的量子態(tài)的貝里相位是在氮-空缺(NV)中心內(nèi)，是金剛石中原子尺度的缺陷。在過去的十年半的時(shí)間里，電子自旋態(tài)作為一個(gè)潛在的量子比特已經(jīng)獲得了人們極大的興趣。在他們的實(shí)驗(yàn)中，小組成員開發(fā)了一種通過改變所施加的激光來繪制此缺陷旋路徑的方法。為了證明貝里相位，他們追蹤類似于橘子片的量子空間的所有的自旋態(tài)的可能的組合的循環(huán)。
“從本質(zhì)上講，像桔片的面積，我們畫的數(shù)量決定了我們能夠積累的貝里相位的量，”克里斯托弗·耶魯說，他是奧沙隆實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者，也是該項(xiàng)目的共同主要作者之一。
這種使用激光來充分控制電子自旋的路徑的方法是在對(duì)比更為通常的通過微波場(chǎng)控制所述NV中心旋轉(zhuǎn)。這種方法可能在有一天對(duì)開發(fā)這些缺陷有用處，聯(lián)接和控制完全是由光，其作為一種既處理又傳輸量子信息的方法。
使得其具有強(qiáng)大的量子邏輯操作能力的是貝里相位的一個(gè)重要特征，其能夠抵御噪聲源。為了測(cè)試貝里相位操作的魯棒性，研究人員有意添加噪聲到激光控制的路徑中。其結(jié)果是，自旋態(tài)將在一個(gè)不穩(wěn)定的方式沿著其預(yù)定路徑行進(jìn)。然而，只要在路徑的總面積保持不變下，做了貝里相位的測(cè)定。
“特別的是，我們找到了貝里相位不敏感的波動(dòng)激光的強(qiáng)度。這樣的噪音通常是對(duì)量子調(diào)控有害的，”布賴恩·周說，他是研究小組的博士后學(xué)者，并且是共同的第一作者。
“想象一下你正在沿著湖邊徒步旅行，即使你不斷離開的路徑去拍照，你最終完成環(huán)湖徒步旅行，”約瑟夫·F說，他也是共同的第一作者，現(xiàn)在是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員說。 “你通過整個(gè)循環(huán)，無(wú)論你采取了離奇的路徑，所以包圍的區(qū)域幾乎是保持相同的。”
鉆石中的這些光控貝里相位提出了一種穩(wěn)健和容錯(cuò)的量子信息處理的路線，圭多·布卡德指出，他是康斯坦茨大學(xué)的物理學(xué)教授，是該研究項(xiàng)目的理論合作者。
“雖然該技術(shù)的應(yīng)用仍然是初期的，貝里相位有豐富的基本數(shù)學(xué)框架，使這項(xiàng)研究成為一個(gè)迷人區(qū)域，” 圭多·布卡德說。
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