交叉信息院段路明研究組于《自然》發(fā)文在量子計算研究方面取得重大突破
首次在常溫固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)抗噪幾何量子計算
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算研究領(lǐng)域取得重要進展，首次在常溫固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)了抗噪的幾何量子計算。抗噪是實現(xiàn)量子計算的核心問題，通過利用一種新型的計算形式——幾何量子計算，段路明研究組在常溫金剛石系統(tǒng)中實現(xiàn)了更能抵御噪聲影響的量子計算，該成果的研究論文 Experimental Realization of Universal Geometric Quantum Gates with Solid-state Spins（利用固態(tài)自旋實驗實現(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，導(dǎo)致幾何量子計算。
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算。
現(xiàn)代社會需要強大安全可靠的信息處理能力。基于量子物理原理的量子計算提供自動并行計算，并行程度隨著比特數(shù)目按照指數(shù)函數(shù)形式爆炸式增長，因而它具有經(jīng)典計算機無法比擬的計算能力和安全性能。實現(xiàn)量子計算機是各國競爭的一個科技制高點。
常溫固態(tài)系統(tǒng)具有可規(guī)模化和可集成化的優(yōu)點，它為經(jīng)典計算機提供硬件技術(shù)基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)量子計算機的理想系統(tǒng)。然而，常溫固態(tài)系統(tǒng)具有很強的噪聲，與經(jīng)典計算不同的是，量子計算對噪聲的影響異常敏感，因此抗噪成為實現(xiàn)量子計算機的核心問題。
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，實驗實現(xiàn)了一種新型的量子計算——幾何量子計算。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，噪聲的起伏被平均化，因此幾何量子計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現(xiàn)量子計算的理想物理載體¬——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行幾何調(diào)控，在常溫下實現(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算的單元，其組合即能實現(xiàn)任意的量子計算。
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，致力于量子計算和全量子網(wǎng)絡(luò)的研究。姚期智教授是計算機科學(xué)最高獎“圖靈獎”迄今為止唯一的華裔得主，也是量子計算研究的理論開創(chuàng)者之一。密歇根大學(xué)費米講席教授段路明受聘為清華姚期智講座教授，負責(zé)清華量子信息中心物理實現(xiàn)團隊的組建。幾年來，清華量子信息中心建立了固體量子計算、離子量子計算和光量子網(wǎng)絡(luò)等多個實驗研究平臺，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。
此項目獲得科技部和教育部的研究經(jīng)費支持。
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
