控制量子比特的福音——聲波也能用來控制電子狀態

Simon 7年前 (2016-04-17) 3660瀏覽

隨著人類信息科學的發展，我們使用的經典計算機越做越小，當構成經典計算機的電子線路，以及邏輯門小到一定程度的時候，經典的運算器件慢慢便受到了量子力學規律的制約，信息技術無止境飛速發展的定律也即將走到自己的極限。于是科學研究者們開始思索如何有效地利用量子規律去延續人類信息科學前進的腳步。

由于量子體系的相干性是一個非常“精致”的物理現象，它很容易在與環境的相互作用中被破壞掉。合適的量子比特需要滿足兩個相互矛盾的需求：首先它不能與環境的相互作用太大，以致于量子性消失地過快；其次它與環境（外界）的相互作用不能太小，否則在讀取和操作上會有很大困難。

因此在量子計算以及量子信息處理過程中，一直以來實現對比特的操縱都是十分困難的。最簡單的量子操縱是使一個量子比特進行翻轉，其中假如把電子自旋的演化時間取得合適的話，我們就能實現電子自旋的翻轉操作，這個方案也稱之為Rabi振蕩。NV色心是金剛石中的一種發光點缺陷。由一個氮原子取代金剛石中的碳原子，并且在臨近位有一個空穴。由于NV的熒光非常穩定，常常作為一種良好的單光子源。另外由于NV色心自旋量子比特的相干性良好，NV的電子自旋相干時間可達毫秒量級，它被認為是一種十分具有潛力的量子計算機系統。

以往的實驗往往通過不同頻率的激光照射NV色心的缺陷電子，使得它躍遷到激發態，借此來操縱量子比特。激光在很多情況下都十分實用，但是在實際應用中，量子計算不僅僅需要對單量子比特進行操縱，在兩個量子比特之間產生相互作用也十分重要，而如果我們希望利用激光在兩個處在不同位置的量子比特間傳遞信息時，由于光的傳播速度過快，我們很難控制光能從一個量子比特輕易地傳遞到另一個并準確攜帶信息。

近日，俄勒岡大學的研究者們成功地在原子中結合了聲波與光子的共同作用來控制電子的狀態，這一方法優點突出，由于聲波的速度比光慢，并且能夠在固體表面自發地進行傳播，利用表面聲波改變電子狀態使得量子比特間的信息傳遞較激光更為準確。這一研究發現為進一步研究量子計算機系統做出了巨大的貢獻。

在4月7號Physics上發布的文章表明，實驗人員在金剛石晶體的表面放置了一個微型的揚聲器，從中傳播出來的聲波，就像海洋上澎湃著的層層波浪，又像麥田里吹拂過的陣陣微風，雖然沒有波濤洶涌的壯闊，也沒有狂風大作的猛烈，當聲波的強度足以引起原子晶格的變形，這改變了NV色心周圍原子的空間結構和排列。假若聲波頻率控制得當，NV色心能夠同時吸收聲波與激光中的能量，并且轉到到另外的量子能量狀態。

另外研究人員覺得這一發現將能夠打破了當今的計算機芯片都是由電路操控的陳規，他們堅信在芯片上融入聲波，使用聲波控制芯片中量子比特是可行的，這將會是將來一項重要的量子計算機技術。

圖文導讀：
圖一Andrew Golter, 在俄勒岡州大學的研究項目：聲波-光子控制人工原子結構中的電子自旋。

圖二(a)NV色心處于金剛石表面附近，并且受激光照射，聲表面波以大約6微米波長由表面氧化鋅薄層向金剛石表面傳播。(b)在壓電氧化鋅層表面產生與檢測聲表面波的示意圖。(c)藍色能帶與紅色能帶能級躍遷示意圖：m_s代表基態，E_y代表NV色心激發態。(d)在聲波關閉狀態下，處于激發態的NV色心熒光性隨光場失諧量變化圖表。藍線是洛倫茲擬合。
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圖三(a)NV色心經過激光和聲波作用后的光譜圖。ω_m=900MHz，入射激光功率?P₀=0.4μW，射頻功率P_rf=0.2W。 (b)聲波傳播時載波和邊帶共振的頻率。(c)(d)增大P₀，P_rf后的共振振幅。紅線是使用最小二乘法的擬合線。(e)當P_rf=0.1時，不同P₀對應的NV色心激發光譜分析。(f)載波的線寬(黑色區域)，邊帶的線寬(紅色的圈)，黑線是計算出的功率增大值，紅色是為了方便觀察進行的線性擬合。