交叉信息院段路明研究組于《自然》發(fā)文在量子計(jì)算研究方面取得重大突破
首次在常溫固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)抗噪幾何量子計(jì)算
清華新聞網(wǎng)10月3日電 清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授研究組在量子計(jì)算研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在常溫固態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了抗噪的幾何量子計(jì)算。抗噪是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心問題，通過利用一種新型的計(jì)算形式——幾何量子計(jì)算，段路明研究組在常溫金剛石系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了更能抵御噪聲影響的量子計(jì)算，該成果的研究論文 Experimental Realization of Universal Geometric Quantum Gates with Solid-state Spins（利用固態(tài)自旋實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)普適幾何量子邏輯門）10月2日發(fā)表于國際著名期刊Nature（自然）上。
圖為金剛石中的幾何量子計(jì)算。金剛石中的電子自旋和核自旋在激光控制下，其量子態(tài)在高維幾何空間里沿著不同足跡行進(jìn)，導(dǎo)致幾何量子計(jì)算。
圖為金剛石原子結(jié)構(gòu)圖，標(biāo)注原子的核自旋可用于量子計(jì)算。
現(xiàn)代社會需要強(qiáng)大安全可靠的信息處理能力。基于量子物理原理的量子計(jì)算提供自動并行計(jì)算，并行程度隨著比特?cái)?shù)目按照指數(shù)函數(shù)形式爆炸式增長，因而它具有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的計(jì)算能力和安全性能。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)是各國競爭的一個科技制高點(diǎn)。
常溫固態(tài)系統(tǒng)具有可規(guī)模化和可集成化的優(yōu)點(diǎn)，它為經(jīng)典計(jì)算機(jī)提供硬件技術(shù)基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的理想系統(tǒng)。然而，常溫固態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的噪聲，與經(jīng)典計(jì)算不同的是，量子計(jì)算對噪聲的影響異常敏感，因此抗噪成為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的核心問題。
為了更好地抵御噪聲的影響，段路明研究組首次在常溫固態(tài)金剛石系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種新型的量子計(jì)算——幾何量子計(jì)算。量子態(tài)的演化被映射為一個幾何體在高維空間的變換，幾何變換具有整體性的特點(diǎn)，噪聲的起伏被平均化，因此幾何量子計(jì)算的抗噪性能明顯提高。金剛石雖然光彩奪目，但顯微鏡下細(xì)看總有一些微小的光學(xué)缺陷，缺陷周圍會束縛一個電子自旋和一些核自旋，這些單電子自旋和核自旋提供了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的理想物理載體¬——量子比特。通過一個巧妙的方案，段路明研究組利用激光、微波和射頻波對金剛石樣品中的這些量子比特進(jìn)行幾何調(diào)控，在常溫下實(shí)現(xiàn)了高保真度的普適量子邏輯門。普適量子邏輯門是量子計(jì)算的單元，其組合即能實(shí)現(xiàn)任意的量子計(jì)算。
該論文的第一作者祖充是交叉信息院在讀博士研究生，其他作者包括交叉信息院博士研究生王瑋彬、王飛，博士后何麗，以及本科生張文綱、戴澄宇。此項(xiàng)研究結(jié)果是清華大學(xué)量子信息中心近期取得的研究進(jìn)展之一。2011年，在姚期智教授領(lǐng)導(dǎo)下，清華成立量子信息中心，致力于量子計(jì)算和全量子網(wǎng)絡(luò)的研究。姚期智教授是計(jì)算機(jī)科學(xué)最高獎“圖靈獎”迄今為止唯一的華裔得主，也是量子計(jì)算研究的理論開創(chuàng)者之一。密歇根大學(xué)費(fèi)米講席教授段路明受聘為清華姚期智講座教授，負(fù)責(zé)清華量子信息中心物理實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的組建。幾年來，清華量子信息中心建立了固體量子計(jì)算、離子量子計(jì)算和光量子網(wǎng)絡(luò)等多個實(shí)驗(yàn)研究平臺，在量子信息領(lǐng)域已取得重要研究結(jié)果，迅速成長為具有國際影響的量子信息研究基地。
此項(xiàng)目獲得科技部和教育部的研究經(jīng)費(fèi)支持。
附 論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/v514/n7520/full/nature13729.html
供稿：交叉信息研究院 編輯：襄樺
