突破！我國在室溫下實現(xiàn)固態(tài)可編程的量子處理器

量子計算被認為是下一代信息技術的重要方向，但由于量子比特非常脆弱，通常只能在極低溫等特殊條件下才能保持量子特性。

近期，中國科學技術大學杜江峰院士團隊運用一系列新技術，首次在室溫大氣條件下實現(xiàn)了基于固態(tài)自旋體系的可編程量子處理器。國際學術期刊《npj量子信息》日前發(fā)表了該成果。

杜江峰

量子計算利用量子疊加性，能夠有效處理經(jīng)典計算科學中許多難以解決的問題?？删幊塘孔佑嬎闶橇孔佑嬎阕呦驅嵱没囊粋€重要條件。對于經(jīng)典計算而言，用戶通常使用同一種硬件架構就可以靈活地完成多種多樣的計算任務。但是目前絕大多數(shù)量子計算實驗僅僅被設計來運行特定的量子算法，如果要執(zhí)行新的量子算法，往往需要重新配置量子計算的硬件。可編程量子計算概念的提出就是用來解決這一問題，它能夠在不改變硬件的前提下，僅需要配置這些量子處理器的若干參數(shù)就可以實現(xiàn)各種不同的量子算法。近年來，在離子阱、超導體系和硅量子點體系中已陸續(xù)演示了可編程量子計算。但由于室溫固態(tài)體系中的量子比特通常面臨嘈雜的噪聲，其量子相干性非常容易受到破壞，因此在室溫固態(tài)體系中開展可編程量子計算演示仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

杜江峰院士團隊利用金剛石中的電子自旋與核自旋作為兩量子比特體系，首次實現(xiàn)了室溫固態(tài)自旋可編程量子處理器。他們利用綠色激光脈沖實現(xiàn)該量子處理器的初始化和讀出功能，并利用一系列高精度的微波與射頻脈沖序列來執(zhí)行量子算法。設計了一類普適量子線路，將一系列量子算法的執(zhí)行轉化成為相應的微波和射頻脈沖的幅度和相位參數(shù)。用戶僅需要對這一系列參數(shù)進行有效配置，就可以完成多種量子算法，避免了煩瑣而且昂貴的硬件重設。

在量子算法執(zhí)行過程中，研究人員結合前期發(fā)展的動力學解耦技術有效抑制固體中嘈雜的噪聲帶來的不利影響，在該可編程量子處理器上成功運行了Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，算法的成功率超過80%。預期在未來，通過提升該量子處理器的材料(金剛石)性能，譬如降低13C的含量，將有助于進一步提升算法的成功率。該工作展示了可編程量子處理器的靈活性，向構筑室溫固態(tài)量子計算邁出了重要一步。

中科院微觀磁共振重點實驗室伍旸和王亞為該文并列第一作者。此項研究得到科技部、中科院和安徽省的資助。