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美科学家利用激光控制NV中心量子态

2013-05-22 10:20
科技那回事
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  ——美国科学家发现,可使用激光控制金刚石中单原子尺寸的缺陷(被称作氮空穴中心,NV中心)的量子态,比传统工艺具有更为统一的控制性及更大的灵活性。这一发现开辟了探索新型固态量子系统的可能性,研究成果发表在《美国国家科学院学报》上(doi: 10.1073/pnas.1305920110)。

  NV中心是金刚石原子结构中的一个缺陷,此处金刚石晶格中的一个碳原子将被氮原子取代,晶格中相邻位置则变成空穴。缺陷周围产生的电子自旋将形成一个量子位元(量子计算机的基本单元)。虽然,金刚石NV中心是一种很有前途的量子位元,过去十年里也受到了广泛研究,但是设计生长金刚石仍然是一件富有挑战性的工作。

  现在,美国加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的科学家设计出了一种新方法,利用激光脉冲来控制半导体中单独的量子位元。传统工艺在连接量子位元之前需要将其初始化到明确的能量态上。传统计算机中信息的基本单位是0或1,而量子位元则不同,可以是0、1或者两者叠加得到的任何数字,因而可进行更加复杂的操作。

图1:金刚石中单个电子自旋的全光控制。(Peter Allen供图)

  研究生Christopher Yale说:“最初,研究人员试图寻找一种方法,可以在一个步骤中完成量子位元态的任何可能叠加。事实证明,仅仅通过调整激光使其与自旋相互作用就能够做到这一点。除此之外,我们还发现,只需使用光学处理过程就可以产生自旋态的相干旋转并读出与我们所选择的其它任何态相关的态。”

  物理学研究生David Christle说:“在操纵NV中心方面,全光控制比传统方法(利用微波场和缺陷的特定属性)具有更大的灵活性,更好的扩展性。如果你有一个整齐排列的量子位元阵列,同时使用传统微波场,那么你会发现很难做到只与阵列中某一位元对话而不与其它位元对话。原理上来说,在理想光学系统中利用我们的技术,就可以将光聚焦到单一的量子位元上,并只与其对话。”

图2:光学平台后面,从左到右依次为:Christopher Yale、David Christle、Bob Buckley和F. Joseph Heremans。(UCSB供图)

  研究人员说,虽然制造出实用的量子计算机尚需时日,但该项研究为量子计算机制造开辟了新的途径。
 

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