在未來幾年，量子計算機和量子網(wǎng)絡(luò)可能能夠解決傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)無法完成的任務。例如，它們可以用于模擬復雜的物質(zhì)或?qū)崿F(xiàn)從根本上安全的通信。

量子信息系統(tǒng)的基本構(gòu)件被稱為量子比特，為了使量子技術(shù)成為有形的現(xiàn)實，研究人員將需要確定策略，以非常高的精確率控制許多量子比特。固體中單個粒子的自旋，例如電子和原子核，顯示出量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的巨大希望，一些研究人員能夠證明對這些量子位的基本控制。

但到目前為止，還沒有人報道過包含超過三個自旋的糾纏量子態(tài)。為了達到完成復雜任務所需的計算能力，量子寄存器應該比目前實現(xiàn)的要大得多。然而，到目前為止，在復雜和強相互作用的量子系統(tǒng)中，控制單個自旋被證明是非常具有挑戰(zhàn)性的?，F(xiàn)在，TU Delft和Element Six一組研究人員成功地演示了一種完全可控的十量子位自旋寄存器，其量子存儲長達一分鐘（詳見下文）。其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評論X》上，可以為更大但可控的量子寄存器的開發(fā)鋪平道路，最終為量子計算開辟新的，令人興奮的可能性。

開展這項研究的研究人員之一的Tim Taminiau表示：研究的主要目的是利用鑲嵌在鉆石中原子的自旋來實現(xiàn)對大量量子比特的精確控制系統(tǒng)。這些自旋是有希望有潛力應用的量子比特，用于量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)，但以前的結(jié)果僅限于幾個量子比特。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，一方面，系統(tǒng)中的所有自旋必須耦合在一起，以作為單個量子處理器運行，但另一方面，這使得以高精度有選擇地控制它們變得困難。Taminiau和同事成功地開發(fā)了一種全新的方法來控制多個量子比特。

這種技術(shù)使用電子自旋量子位來選擇性地控制許多單獨的核自旋量子位，同時將它們解耦，從而保護它們免受系統(tǒng)中不必要的交互作用。使用該方法，與之前的研究相比，研究人員能夠控制相當多的自旋數(shù)量，并且具有非常高的精確度。將技術(shù)應用于一個由10個自旋組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)與金剛石中的氮空位(NV)中心相關(guān)。該NV中心具有提供量子位的電子自旋，該量子位可以光學地讀出(即，可以確定它的值)，并且可以用微波脈沖來控制。

該研究的主要作者、博士生康納·布拉德利(Conor Bradley)解釋說：這種電子自旋與環(huán)境中的核自旋相耦合，其中一個核自旋是NV的本征氮核自旋。另外8個量子位是圍繞NV的碳-13核自旋。自然地，鉆石中約1.1%的碳原子是碳-13并具有自旋，即它們可以用作量子位，其他碳原子是碳-12，不攜帶自旋。盡管研究人員將該方法應用于特定的10量子位系統(tǒng)，但他們相信它也可以在其他系統(tǒng)上實施，包括鉆石和碳化硅中的其他缺陷中心，硅中的量子點。這些其他系統(tǒng)托管的量子位在完成各種復雜任務方面各有優(yōu)勢。

研究的主要成果是一個10自旋量子位量子系統(tǒng)，它可以存儲長達75秒的量子信息，盡管其他研究人員能夠通過將離子捕獲在真空中獲得類似的結(jié)果，但許多量子比特、精確控制和長壽命量子存儲器的這種組合，對于基于芯片的量子比特來說是獨一無二的。本研究的系統(tǒng)可能是大型量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵構(gòu)建塊，在這種網(wǎng)絡(luò)中，多個NV中心(每個中心提供幾個量子位)以光學方式連接在一起。在之前的一項研究中，研究人員已經(jīng)概述并展示了這種特殊能力。

除了這項研究作為對更大量子信息系統(tǒng)的演示的重要性之外，還提供了對固體中自旋消相干（量子信息的損失）的新見解。收集的發(fā)現(xiàn)突出了研究多個自旋量子比特糾纏態(tài)如何解碼的可行性，以及噪聲環(huán)境中相關(guān)性如何在這一過程中發(fā)揮重要作用。該方法還為單個自旋的量子傳感和原子尺度成像開辟了新可能性，目的不是控制自旋，而是檢測它們，以便為化學、生物學和材料科學研究收集感興趣的樣本。

在未來的研究中，研究人員計劃演示一種叫做量子糾錯的技術(shù)，這種特殊類型的糾錯可以幫助克服現(xiàn)有量子系統(tǒng)所有不可避免的缺陷，最終使大規(guī)模量子系統(tǒng)的創(chuàng)建成為可能。這將需要在許多量子位上對量子態(tài)進行編碼，并在不干擾編碼信息的情況下進行仔細的測量以檢測和糾正錯誤。到目前為止，這對于任何系統(tǒng)都是遙不可及的，但研究結(jié)果現(xiàn)在使我們有可能使用鉆石中的自旋來實現(xiàn)這一目標。

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參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031045

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