最近，加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校(UCSB)研究人員開發(fā)出一種技術(shù)，只用激光就能對(duì)量子比特初始化，并實(shí)現(xiàn)了多種操縱、讀取電子自旋態(tài)等。這種方法不僅比傳統(tǒng)方法更能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，而且功能更多樣，為探索新型固態(tài)量子系統(tǒng)打開了大門。相關(guān)論文發(fā)表在最新版的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。

雖然實(shí)驗(yàn)用的量子比特是鉆石中的瑕疵——氮晶格空位(NV)中心，但新技術(shù)能在更廣泛的材料中操作。UCSB自旋電子學(xué)與量子計(jì)算機(jī)中心主管、物理學(xué)教授戴維·奧斯蓋勒姆說：“與傳統(tǒng)技術(shù)不同，我們開發(fā)的是一種利用激光脈沖在半導(dǎo)體內(nèi)控制單個(gè)量子比特的全光策略。這將帶來一個(gè)好機(jī)會(huì)，讓人們有望用光子芯片處理和交流量子信息。”

傳統(tǒng)方法是利用微波場(chǎng)和鉆石瑕疵的特殊屬性來操作，盡管NV中心是一種很有前景的量子比特，過去十年來一直被廣泛研究，但要用工業(yè)或生長(zhǎng)的方法造出所需鉆石卻是極大的挑戰(zhàn)。全光控制讓人們能更多樣地操縱NV中心，這和傳統(tǒng)方法完全不同，還能用其他材料來研究量子系統(tǒng)，制造這些材料的技術(shù)也更加成熟。UCSB物理學(xué)研究生鮑勃·巴克爾說：“這些技術(shù)將來會(huì)更普及，還可用于未曾探索過的量子系統(tǒng)。”

NV中心是鉆石原子結(jié)構(gòu)上的一種瑕疵，鉆石晶格中一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代，使其附近空缺出一個(gè)晶格空位，圍繞氮原子旋轉(zhuǎn)的自旋電子就變成一個(gè)量子比特，即量子計(jì)算機(jī)的基本單位。傳統(tǒng)技術(shù)要先把這一量子比特初始化，成為具有界限清晰的能量態(tài)，然后才能與其對(duì)接。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本信息單位是比特，要么是0要么是1;而量子比特可以同時(shí)是0和1，或者同時(shí)處于任何兩個(gè)數(shù)學(xué)疊加位，允許研究人員進(jìn)行更復(fù)雜的操作。

“最初我們是想找到一種方法，只需一步就把量子比特放在其狀態(tài)中任何可能的疊加位。”論文第一作者、物理學(xué)研究生克里斯托弗·耶爾說，“結(jié)果我們只需調(diào)整與自旋電子相互作用的激光就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，而且我們能產(chǎn)生自旋態(tài)的相干旋轉(zhuǎn)，并讀出電子的相對(duì)自旋狀態(tài)。”

此外，全光方法還有升級(jí)的潛力。物理學(xué)研究生戴維·克里斯托指出：“假如你有一排按順序排列的這種量子比特，當(dāng)用傳統(tǒng)的微波場(chǎng)方法時(shí)，很難在與其中任一個(gè)‘交談’時(shí)不影響其他比特。理論上，在一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng)中，新技術(shù)能把光線集中到單個(gè)量子比特上，只跟它‘交談’。”

研究小組認(rèn)為，雖然開發(fā)出實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)還要再等幾年，但新研究為這一最終目標(biāo)開辟了新路徑。量子計(jì)算設(shè)備能執(zhí)行某些精密計(jì)算和復(fù)雜功能，比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)效率高得多，將推動(dòng)諸多領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展，如量子加密和量子模擬。