控制量子比特的福音——声波也能用来控制电子状态

Simon 8年前 (2016-04-17) 3938浏览

随着人类信息科学的发展，我们使用的经典计算机越做越小，当构成经典计算机的电子线路，以及逻辑门小到一定程度的时候，经典的运算器件慢慢便受到了量子力学规律的制约，信息技术无止境飞速发展的定律也即将走到自己的极限。于是科学研究者们开始思索如何有效地利用量子规律去延续人类信息科学前进的脚步。

由于量子体系的相干性是一个非常“精致”的物理现象，它很容易在与环境的相互作用中被破坏掉。合适的量子比特需要满足两个相互矛盾的需求：首先它不能与环境的相互作用太大，以致于量子性消失地过快；其次它与环境（外界）的相互作用不能太小，否则在读取和操作上会有很大困难。

因此在量子计算以及量子信息处理过程中，一直以来实现对比特的操纵都是十分困难的。最简单的量子操纵是使一个量子比特进行翻转，其中假如把电子自旋的演化时间取得合适的话，我们就能实现电子自旋的翻转操作，这个方案也称之为Rabi振荡。NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷。由一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴。由于NV的荧光非常稳定，常常作为一种良好的单光子源。另外由于NV色心自旋量子比特的相干性良好，NV的电子自旋相干时间可达毫秒量级，它被认为是一种十分具有潜力的量子计算机系统。

以往的实验往往通过不同频率的激光照射NV色心的缺陷电子，使得它跃迁到激发态，借此来操纵量子比特。激光在很多情况下都十分实用，但是在实际应用中，量子计算不仅仅需要对单量子比特进行操纵，在两个量子比特之间产生相互作用也十分重要，而如果我们希望利用激光在两个处在不同位置的量子比特间传递信息时，由于光的传播速度过快，我们很难控制光能从一个量子比特轻易地传递到另一个并准确携带信息。

近日，俄勒冈大学的研究者们成功地在原子中结合了声波与光子的共同作用来控制电子的状态，这一方法优点突出，由于声波的速度比光慢，并且能够在固体表面自发地进行传播，利用表面声波改变电子状态使得量子比特间的信息传递较激光更为准确。这一研究发现为进一步研究量子计算机系统做出了巨大的贡献。

在4月7号Physics上发布的文章表明，实验人员在金刚石晶体的表面放置了一个微型的扬声器，从中传播出来的声波，就像海洋上澎湃着的层层波浪，又像麦田里吹拂过的阵阵微风，虽然没有波涛汹涌的壮阔，也没有狂风大作的猛烈，当声波的强度足以引起原子晶格的变形，这改变了NV色心周围原子的空间结构和排列。假若声波频率控制得当，NV色心能够同时吸收声波与激光中的能量，并且转到到另外的量子能量状态。

另外研究人员觉得这一发现将能够打破了当今的计算机芯片都是由电路操控的陈规，他们坚信在芯片上融入声波，使用声波控制芯片中量子比特是可行的，这将会是将来一项重要的量子计算机技术。

图文导读：
图一Andrew Golter, 在俄勒冈州大学的研究项目：声波-光子控制人工原子结构中的电子自旋。

图二(a)NV色心处于金刚石表面附近，并且受激光照射，声表面波以大约6微米波长由表面氧化锌薄层向金刚石表面传播。(b)在压电氧化锌层表面产生与检测声表面波的示意图。(c)蓝色能带与红色能带能级跃迁示意图：m_s代表基态，E_y代表NV色心激发态。(d)在声波关闭状态下，处于激发态的NV色心荧光性随光场失谐量变化图表。蓝线是洛伦兹拟合。
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图三(a)NV色心经过激光和声波作用后的光谱图。ω_m=900MHz，入射激光功率 P₀=0.4μW，射频功率P_rf=0.2W。 (b)声波传播时载波和边带共振的频率。(c)(d)增大P₀，P_rf后的共振振幅。红线是使用最小二乘法的拟合线。(e)当P_rf=0.1时，不同P₀对应的NV色心激发光谱分析。(f)载波的线宽(黑色区域)，边带的线宽(红色的圈)，黑线是计算出的功率增大值，红色是为了方便观察进行的线性拟合。