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)量子計算機是當(dāng)前世界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。清華大學(xué)交叉信息研究院的段路明教授研究組首次在常溫固態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)了抗噪的幾何量子計算，該成果的研究論文《利用固態(tài)自旋實驗實現(xiàn)普適幾何量子邏輯門》于2014年10月發(fā)表在國際著名期刊《自然》上。該論文的第一作者祖充是交叉信息院在讀博士研究生，其他作者包括該院博士研究生王瑋彬、王飛，博士后何麗，以及本科生張文綱、戴澄宇等。
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(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，包括單比特的幾何NOT，Hadamard，和Pi/8門操作，和兩比特的幾何Control-NOT操作。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。
