近日，科學(xué)家首次在零磁場下實現(xiàn)了金剛石量子存儲器的量子糾錯。

金剛石中的氮-空位色心作為量子存儲器，通過糾錯編碼實現(xiàn)自動糾錯，圖片來自橫濱國立大學(xué)

與傳統(tǒng)計算機相比，科學(xué)家認(rèn)為量子計算機在特定復(fù)雜問題上的運行速度可以快幾千倍，并可能在化學(xué)、密碼學(xué)、金融、制藥等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。因此，科學(xué)家正在尋找構(gòu)建量子計算機網(wǎng)絡(luò)的方法。其中，容錯量子存儲器將發(fā)揮重要作用，因為它在軟硬件發(fā)生故障時依然具有良好的響應(yīng)能力。

當(dāng)科學(xué)家操控基于核自旋的量子存儲器時，需要用到磁場。但磁場阻礙了超導(dǎo)量子比特的集成。量子比特是量子計算機中信息存儲的基本單位，類似于傳統(tǒng)計算機中的二進(jìn)制位。

日本橫濱國立大學(xué)(YNU)研究組正在探索一種對操作或環(huán)境具有容錯能力的量子存儲器。團(tuán)隊研究了金剛石（鉆石的原石）中的氮-空位色心（NV色心），以進(jìn)一步開發(fā)容錯量子計算機技術(shù)。

NV色心是一種在金剛石晶體結(jié)構(gòu)中最常見的點缺陷，是當(dāng)前最具代表性的量子體系。作為重要的量子材料，NV色心是原子級別的固態(tài)設(shè)備，擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中具有量子比特和量子探測器等核心功能，并有望在量子計算等一系列應(yīng)用中發(fā)揮作用。

此次，前述團(tuán)隊在零磁場下利用具有兩個碳同位素核自旋的金剛石氮-空位色心，在量子存儲器中證明了量子容錯。相關(guān)成果近日發(fā)表在《通訊-物理》(Communications Physics)。

有磁場和零磁場情況下的碳自旋操控，圖片來自論文

為擴(kuò)大基于超導(dǎo)量子比特的量子計算機規(guī)模，團(tuán)隊必須在零磁場下工作。當(dāng)磁場發(fā)生變化時，一般會產(chǎn)生兩種影響量子比特的錯誤：比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)。

團(tuán)隊通過三維線圈來抵消包括地磁場（地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象）在內(nèi)的殘余磁場，在零磁場下測試了針對比特翻轉(zhuǎn)和相位翻轉(zhuǎn)錯誤的三個量子比特的量子糾錯，證明前述量子存儲器經(jīng)過糾錯編碼，可以在錯誤發(fā)生時自動糾錯。

以往的研究都是在相對較強的磁場下研究量子容錯，橫濱國立大學(xué)研究組首次展示了在沒有磁場的情況下對電子和核自旋進(jìn)行量子操作。

三個量子比特量子糾錯(QEC)的量子電路，用于糾正比特翻轉(zhuǎn)(a)和相位翻轉(zhuǎn)(b)錯誤，圖片來自論文

“量子糾錯使量子存儲器在不需要磁場的情況下對操作或環(huán)境具有容錯能力，并為分布式量子計算，以及具有基于存儲的量子接口或中繼器的量子網(wǎng)絡(luò)開辟了一條道路。”橫濱國立大學(xué)教授、論文主要作者Hideo Kosaka說道。

前述成果可以應(yīng)用于構(gòu)建大規(guī)模分布式量子計算機和長距離量子通信網(wǎng)絡(luò)，例如將超導(dǎo)量子比特、基于核自旋的量子存儲器等易受磁場影響的量子系統(tǒng)連接起來。

未來，團(tuán)隊計劃將研究技術(shù)進(jìn)一步拓展。Kosaka表示，“我們希望開發(fā)出超導(dǎo)和光子量比特之間的量子接口，以實現(xiàn)大規(guī)模容錯量子計算機。”