首次实现！10量子位自旋寄存器，存储量子信息长达75秒

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博科园：本文为量子物理学类

在未来几年，量子计算机和量子网络可能能够解决传统计算机系统无法完成的任务。例如，它们可以用于模拟复杂的物质或实现从根本上安全的通信。量子信息系统的基本构件被称为量子比特，为了使量子技术成为有形的现实，研究人员将需要确定策略，以非常高的精确率控制许多量子比特。固体中单个粒子的自旋，例如电子和原子核，显示出量子网络发展的巨大希望，一些研究人员能够证明对这些量子位的基本控制。

但到目前为止，还没有人报道过包含超过三个自旋的纠缠量子态。为了达到完成复杂任务所需的计算能力，量子寄存器应该比目前实现的要大得多。然而，到目前为止，在复杂和强相互作用的量子系统中，控制单个自旋被证明是非常具有挑战性的。

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现在，TU Delft和Element Six一组研究人员成功地演示了一种完全可控的十量子位自旋寄存器，其量子存储长达一分钟（详见下文）。其研究发现发表在《物理评论X》上，可以为更大但可控的量子寄存器的开发铺平道路，最终为量子计算开辟新的，令人兴奋的可能性。

开展这项研究的研究人员之一的Tim Taminiau表示：研究的主要目的是利用镶嵌在钻石中原子的自旋来实现对大量量子比特的精确控制系统。这些自旋是有希望有潜力应用的量子比特，用于量子计算和量子网络，但以前的结果仅限于几个量子比特。关键挑战是，一方面，系统中的所有自旋必须耦合在一起，以作为单个量子处理器运行，但另一方面，这使得以高精度有选择地控制它们变得困难。Taminiau和同事成功地开发了一种全新的方法来控制多个量子比特。

这种技术使用电子自旋量子位来选择性地控制许多单独的核自旋量子位，同时将它们解耦，从而保护它们免受系统中不必要的交互作用。使用该方法，与之前的研究相比，研究人员能够控制相当多的自旋数量，并且具有非常高的精确度。将技术应用于一个由10个自旋组成的系统，该系统与金刚石中的氮空位(NV)中心相关。该NV中心具有提供量子位的电子自旋，该量子位可以光学地读出(即，可以确定它的值)，并且可以用微波脉冲来控制。

该研究的主要作者、博士生康纳·布拉德利(Conor Bradley)解释说：这种电子自旋与环境中的核自旋相耦合，其中一个核自旋是NV的本征氮核自旋。另外8个量子位是围绕NV的碳-13核自旋。自然地，钻石中约1.1%的碳原子是碳-13并具有自旋，即它们可以用作量子位，其他碳原子是碳-12，不携带自旋。尽管研究人员将该方法应用于特定的10量子位系统，但他们相信它也可以在其他系统上实施，包括钻石和碳化硅中的其他缺陷中心，硅中的量子点。这些其他系统托管的量子位在完成各种复杂任务方面各有优势。

研究的主要成果是一个10自旋量子位量子系统，它可以存储长达75秒的量子信息，尽管其他研究人员能够通过将离子捕获在真空中获得类似的结果，但许多量子比特、精确控制和长寿命量子存储器的这种组合，对于基于芯片的量子比特来说是独一无二的。本研究的系统可能是大型量子网络的关键构建块，在这种网络中，多个NV中心(每个中心提供几个量子位)以光学方式连接在一起。在之前的一项研究中，研究人员已经概述并展示了这种特殊能力。

除了这项研究作为对更大量子信息系统的演示的重要性之外，还提供了对固体中自旋消相干（量子信息的损失）的新见解。收集的发现突出了研究多个自旋量子比特纠缠态如何解码的可行性，以及噪声环境中相关性如何在这一过程中发挥重要作用。该方法还为单个自旋的量子传感和原子尺度成像开辟了新可能性，目的不是控制自旋，而是检测它们，以便为化学、生物学和材料科学研究收集感兴趣的样本。

在未来的研究中，研究人员计划演示一种叫做量子纠错的技术，这种特殊类型的纠错可以帮助克服现有量子系统所有不可避免的缺陷，最终使大规模量子系统的创建成为可能。这将需要在许多量子位上对量子态进行编码，并在不干扰编码信息的情况下进行仔细的测量以检测和纠正错误。到目前为止，这对于任何系统都是遥不可及的，但研究结果现在使我们有可能使用钻石中的自旋来实现这一目标。