近日，科學家首次在零磁場下實現(xiàn)了金剛石量子存儲器的量子糾錯。

圖1.金剛石中的氮-空位色心作為量子存儲器，通過糾錯編碼實現(xiàn)自動糾錯

       與傳統(tǒng)計算機相比，科學家認為量子計算機在特定復雜問題上的運行速度可以快幾千倍，并可能在化學、密碼學、金融、制藥等領域實現(xiàn)創(chuàng)新。因此，科學家正在尋找構建量子計算機網(wǎng)絡的方法。其中，容錯量子存儲器將發(fā)揮重要作用，因為它在軟硬件發(fā)生故障時依然具有良好的響應能力。當科學家操控基于核自旋的量子存儲器時，需要用到磁場。但磁場阻礙了超導量子比特的集成。量子比特是量子計算機中信息存儲的基本單位，類似于傳統(tǒng)計算機中的二進制位。

       日本橫濱國立大學(YNU)研究組正在探索一種對操作或環(huán)境具有容錯能力的量子存儲器。團隊研究了金剛石（鉆石的原石）中的氮-空位色心（NV色心），以進一步開發(fā)容錯量子計算機技術。

       NV色心是一種在金剛石晶體結構中最常見的點缺陷，是當前最具代表性的量子體系。作為重要的量子材料，NV色心是原子級別的固態(tài)設備，擁有光學可調的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中具有量子比特和量子探測器等核心功能，并有望在量子計算等一系列應用中發(fā)揮作用。

       此次，前述團隊在零磁場下利用具有兩個碳同位素核自旋的金剛石氮-空位色心，在量子存儲器中證明了量子容錯。相關成果近日發(fā)表在《通訊-物理》(Communications Physics)。

圖2.有磁場和零磁場情況下的碳自旋操控

       當磁場發(fā)生變化時，一般會產(chǎn)生兩種影響量子比特的錯誤：比特翻轉和相位翻轉。團隊通過三維線圈來抵消包括地磁場（地球內部存在的天然磁性現(xiàn)象）在內的殘余磁場，在零磁場下測試了針對比特翻轉和相位翻轉錯誤的三個量子比特的量子糾錯，證明前述量子存儲器經(jīng)過糾錯編碼，可以在錯誤發(fā)生時自動糾錯。以往的研究都是在相對較強的磁場下研究量子容錯，橫濱國立大學研究組首次展示了在沒有磁場的情況下對電子和核自旋進行量子操作。

圖3.三個量子比特量子糾錯(QEC)的量子電路，用于糾正比特翻轉(a)和相位翻轉(b)錯誤

       橫濱國立大學教授、論文主要作者Hideo Kosaka說道。前述成果可以應用于構建大規(guī)模分布式量子計算機和長距離量子通信網(wǎng)絡，例如將超導量子比特、基于核自旋的量子存儲器等易受磁場影響的量子系統(tǒng)連接起來。未來，團隊計劃將研究技術進一步拓展。Kosaka表示，“我們希望開發(fā)出超導和光子量比特之間的量子接口，以實現(xiàn)大規(guī)模容錯量子計算機?！?/p>