能夠單獨控制固態晶體（例如金剛石）中的許多自旋是開發大規模量子處理器和存儲器的一種很有前景的技術。局域激光場通過自旋-軌道耦合為電子自旋操縱提供了空間選擇性，但很難同時實現精確和通用操縱。

現在，日本橫濱國立大學的研究人員找到了一種精確控制金剛石量子比特的方法，而不受先前的限制。7月26日，研究成果以《金剛石自旋上的光學可尋址通用完整量子門》為題[1]發表在《自然-光子學》雜誌上。

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光學方法和微波控制相結合

“微波通常用於單個量子控制，但需要對微波線路進行單獨佈線。”論文通訊作者、橫濱國立大學先進科學研究所量子信息研究中心主任、物理系教授Hideo Kosaka說[2]：“另一方面，可以用光在局部、但不精確地操縱量子比特。”

Kosaka和其他研究人員能夠證明，通過結合微波操縱和原子-分子躍遷頻率的局部光學偏移（斯塔克偏移，Stark shift）、利用金剛石中的氮空位中心，來操縱電子自旋進而控制量子比特。換句話說，他們能夠將依賴激光器發光的光學方法與微波相結合，以克服先前的限制。

研究人員還能夠證明，這種對電子自旋的控制反過來可以控制氮空位中心氮原子的核自旋，以及電子和核自旋之間的相互作用。這很有意義，因為它能夠精確控制量子比特，而不存在佈線問題。

a）光學可尋址通用整體門的原理及裝置的幾何形狀；b）帶有NV中心自旋子級的電子級結構；c）顯示頻移的光學檢測磁共振（ODMR）光譜；d）光學斯塔克偏移與激光功率的關係；e）沒有尋址激光的自旋動力學；f）有尋址激光的自旋動力學。

光學可尋址通用單量子比特操作的實驗演示。（a,b,c）通過量子過程斷層掃描重建的χ矩陣，顯示了Pauli-X,Y和Z門操作；（d,e）顯示了可光學尋址的量子態製備示意圖和實驗結果；（f）實驗結果顯示光學可尋址量子態初始化；（g）顯示自旋與可光學尋址的Pauli-Y門實驗結果。

“光和微波的同時照射能夠實現對量子比特的單獨和精確控制，而無需佈線。”Kosaka說：“這為大規模量子處理器和量子存儲器鋪平了道路，對開發大規模量子計算機至關重要。”

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光子和量子比特間建立連接

此外，研究人員能夠在電子和核自旋之間建立“量子糾纏”，以將一個光子狀態轉移到核自旋狀態。這允許與光子進行量子比特間連接，最終將需要更少的計算能力，並能夠通過量子隱形傳態的原理將信息傳輸到量子處理器和量子存儲器。

光學可尋址糾纏的產生。（a,d）用於光學尋址糾纏產生的脈衝序列；（b,e）能級結構和NV中心的電子-氮核自旋的狀態轉換；（c,f）通過量子狀態斷層掃描得到的密度矩陣的絕對值。

新方法滿足所有“DiVincenzo準則”——這是量子計算機運行所需的標準，包括可擴展性、初始化、測量、通用門和長相干性。它還可以應用於斯塔克偏移之外的其他磁場方案，以在這些場景中單獨操縱量子比特，並且可以防止常見類型的計算錯誤，例如門錯誤或環境噪聲。

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邁向大規模量子計算

“我們的方案比全光學方案的保真度提高的原因是使用了更容易控制的多餘自由度，”Kosaka說，自由度指的是使用這種方法可以控制的變量數量。

這一進步是朝著更大規模量子計算邁出的一步。

“通過進一步提高單個量子操作和糾纏操作的分辨率，可以實現大規模集成金剛石量子計算機、量子存儲和量子傳感器，”Kosaka說，“它還將提高長距離量子通信的量子中繼網絡、分佈式量子計算機網絡或量子互聯網的數據傳輸能力。”

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01038-3

https://sciencesources.eurekalert.org/news-releases/959951