交叉信息院段路明研究組于《自然》發文 在量子計算研究方面取得突破

2014年10月03日 瀏覽次數: 0

清華大學交叉信息研究院段路明教授研究組在量子計算研究領域取得重要進展,首次在常溫固態系統中實現了抗噪的幾何量子計算。抗噪是實現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中實現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(《利用固態自旋實驗實現普適幾何量子邏輯門》)近日發表于國際著名期刊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,其量子態在高維幾何空間里沿著不同足跡行進,導致幾何量子計算。

圖為金剛石原子結構圖,標注原子的核自旋可用于量子計算。

現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目按照指數函數形式爆炸式增長,因而它具有經典計算機無法比擬的計算能力和安全性能。實現量子計算機是各國競爭的一個科技制高點。

常溫固態系統具有可規模化和可集成化的優點,它為經典計算機提供硬件技術基礎,也是實現量子計算機的理想系統。然而,常溫固態系統具有很強的噪聲,與經典計算不同的是,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金剛石系統中,實驗實現了一種新型的量子計算——幾何量子計算。量子態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控,在常溫下實現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。此項研究結果是清華大學量子信息中心近期取得的研究進展之一。2011年,在姚期智教授領導下,清華成立量子信息中心,致力于量子計算和全量子網絡的研究姚期智教授是計算機科學最高獎“圖靈獎”的唯一華裔得主,也是量子計算研究的理論開創者之一。密歇根大學費米講席教授段路明受聘為清華姚期智講座教授,負責清華量子信息中心物理實現團隊的組建。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絡等多個實驗研究平臺,在量子信息領域已取得重要研究結果,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費支持。

論文鏈接參見:http://www.nature.com/nature/journal/v514/n7520/full/nature13729.html