傳統(tǒng)電子上的比特位是經(jīng)典的二進制的1或0狀態(tài)存在，而更為豐富的量子位資源，或由向量表示的'量子位'，指1和0狀態(tài)同時聯(lián)合。為了完全實現(xiàn)一個量子位，有必要控制這種量子位矢量的方向，這通常是使用微調(diào)和噪聲隔離程序進行的。
在芝加哥大學的分子工程學院和康斯坦茨大學的研究人員已經(jīng)證明，能產(chǎn)生量子邏輯運算或量子比特位循環(huán)，這是令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，在本質(zhì)上是對噪聲的彈性以及對變化的強度或持續(xù)時間的控制。他們的成就是基于被稱為貝里相位幾何的概念，并完全是通過光學手段在鉆石中的單一電子自旋實現(xiàn)。
他們的研究發(fā)表在《自然光子學》2016年2月15日的網(wǎng)絡版，并將在三月份刊印。 “特別是與傳統(tǒng)的電子相比較，我們傾向于認為量子操作是很脆弱的且容易受到噪音影響的，” 領導這項研究的大衛(wèi)·奧沙隆提到，他也是阿貢國家實驗室分子工程教授和資深科學家。 “相比之下，我們的做法顯示出了令人難以置信的抵御外部影響和滿足了任何實際量子技術(shù)的關(guān)鍵要求。”
當一個量子力學的對象，如電子，沿一些環(huán)路循環(huán)，它將會保留對所經(jīng)過路徑的記憶即貝里相位。為了更好地理解這一概念，傅科擺作為大多數(shù)科技館都有的儀器可以幫助我們直觀理解這一概念。鐘擺，像那些落地座鐘一樣，通常在一個固定的平面內(nèi)來回振蕩。然而，一個傅科擺在一天的過程中由于地球的旋轉(zhuǎn)而在平面上來回擺動，進而敲在一系列環(huán)繞擺放的針腳上。
所敲引腳的數(shù)量是鐘擺在振蕩平面上總角量，從而獲得幾何相位。從本質(zhì)上講，由于地球的旋轉(zhuǎn)沿著一個特定的封閉路徑，即其緯線圈，這種移動直接關(guān)系到地球表面擺的位置。而該角移取決于特定路徑，奧沙隆說到，它不依賴于地球的旋轉(zhuǎn)速度或擺的振蕩頻率。
“同樣，貝里相位是量子系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的類似路徑相關(guān)的旋轉(zhuǎn)，它顯示出了在量子信息處理中可作為一個強大的操縱量子比特狀態(tài)的一種有前景的手段，”他說。
在這個實驗中，研究人員操縱的量子態(tài)的貝里相位是在氮-空缺(NV)中心內(nèi)，是金剛石中原子尺度的缺陷。在過去的十年半的時間里，電子自旋態(tài)作為一個潛在的量子比特已經(jīng)獲得了人們極大的興趣。在他們的實驗中，小組成員開發(fā)了一種通過改變所施加的激光來繪制此缺陷旋路徑的方法。為了證明貝里相位，他們追蹤類似于橘子片的量子空間的所有的自旋態(tài)的可能的組合的循環(huán)。
“從本質(zhì)上講，像桔片的面積，我們畫的數(shù)量決定了我們能夠積累的貝里相位的量，”克里斯托弗·耶魯說，他是奧沙隆實驗室的博士后學者，也是該項目的共同主要作者之一。
這種使用激光來充分控制電子自旋的路徑的方法是在對比更為通常的通過微波場控制所述NV中心旋轉(zhuǎn)。這種方法可能在有一天對開發(fā)這些缺陷有用處，聯(lián)接和控制完全是由光，其作為一種既處理又傳輸量子信息的方法。
使得其具有強大的量子邏輯操作能力的是貝里相位的一個重要特征，其能夠抵御噪聲源。為了測試貝里相位操作的魯棒性，研究人員有意添加噪聲到激光控制的路徑中。其結(jié)果是，自旋態(tài)將在一個不穩(wěn)定的方式沿著其預定路徑行進。然而，只要在路徑的總面積保持不變下，做了貝里相位的測定。
“特別的是，我們找到了貝里相位不敏感的波動激光的強度。這樣的噪音通常是對量子調(diào)控有害的，”布賴恩·周說，他是研究小組的博士后學者，并且是共同的第一作者。
“想象一下你正在沿著湖邊徒步旅行，即使你不斷離開的路徑去拍照，你最終完成環(huán)湖徒步旅行，”約瑟夫·F說，他也是共同的第一作者，現(xiàn)在是阿貢國家實驗室研究人員說。 “你通過整個循環(huán)，無論你采取了離奇的路徑，所以包圍的區(qū)域幾乎是保持相同的。”
鉆石中的這些光控貝里相位提出了一種穩(wěn)健和容錯的量子信息處理的路線，圭多·布卡德指出，他是康斯坦茨大學的物理學教授，是該研究項目的理論合作者。
“雖然該技術(shù)的應用仍然是初期的，貝里相位有豐富的基本數(shù)學框架，使這項研究成為一個迷人區(qū)域，” 圭多·布卡德說。
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