Only Perception: 由千億個電子自旋所構成的量子電腦

2009-09-15

由千億個電子自旋所構成的量子電腦

Proposed Quantum Computer Consists of Billions of Electron Spins
http://www.physorg.com/news171705608.html

By Lisa Zyga, September 9th, 2009

(PhysOrg.com) -- 雖然研究者已證明少數幾位元量子電腦的建構基礎，不過將這些系統放大到大型量子電腦仍是一種挑戰。最大問題之一是開發出一套物理系統，能可靠儲存數千個 qubits（量子位元），同時為了邏輯閘運算（gate operations）能使位元與偶對（pairs）被個別處理。

心裡有了譜，科學家們最近提出一種量子運算方案，使用一種約千億個電子自旋的總成（ensemble）。他們證明數百個物理性量子位元能以這些集體性電子自旋激發（collective electron spin excitations）構成。這些研究者，來自牛津大學的 Janus Wesenberg，以及來自牛津、耶魯與丹麥 Aarhus 大學的共同作者，已將他們提議的系統發表在最近一期 Physical Review Letters 上。

這套系統也能執行 qubit 編碼並為量子運算提供一位元與雙位元邏輯閘（one- and two-bit gates）。在設置中，電子自旋被耦合到一個超導傳輸線腔（superconducting transmission line cavity）。接著，這個傳輸線腔被耦合到一個 transmon Cooper pair box （transmon 古柏偶對盒；譯註：transmon qubit 是一種基於 Cooper pair box 的超導量子位元，由耶魯開發，參見：doi: 10.1103/PhysRevA.76.042319）上，那完成邏輯閘運算。

"單一個電子自旋只能非常微弱地與其環境互動：除了它非常難以初始化或讀取之外，這使得它成為一種優良的量子記憶，" Wesenberg 解釋。"在這個總成暫存器（register）內，我們利用了這個事實：一個有千億個（電子）自旋的總成與一個微波腔之間的集體性交互作用，由所謂的超輻射效應（superradiant effect）大幅強化。這使得在幾十奈秒內從傳輸線腔將一微波光子（攜有一量子位元）傳輸到自旋總成成為可能，相較下單一自旋則要花上幾分之一秒的時間。一旦光子被傳輸到總成，它以非局域性激發（delocalized excitation）的樣子存活。

"這個系統的量子態為每個受激自旋的量子疊加（quantum superposition），此即，與極強磁場（已施加到該系統上）相關的翻轉（flip）。以這種方式來疊加單一激發的方法有無限多種，而且這些能以自旋波（spin waves）來描述。藉由施加一磁梯度脈衝（magnetic gradient pulse），我們能傳輸一個激發態，那存活的樣子猶如從某種自旋波到另一種自旋波。"

如同 Wesenberg 的補充，這項研究提到二種獨立的新構想。

"首先，這裡有個點子是將電子自旋總成耦合到一個帶狀線共振器（ stripline resonator），" 他說。"雖然這是個新點子，不過它是先前將極化分子總成（Rydberg 原子等）耦合到這種帶狀線腔室之研究（由 Peter Zoller 等人完成）的直接延伸，利用電子自旋的主要優勢在於，它們能被直接塗抹（smeared）到帶狀線基質上而無須任何複雜的設陷安排（trapping arrangements）。其次，這裡有個點子是，在可控制磁梯度的幫助下，利用全像原理來對付總成中的大量模式（modes）。這是作者之一（K. Molmer）在全像儲存（holographic storage）研究上，相對直接的延伸。"

當科學家解釋他們的研究時，這種設置的優勢之一為：在無須單一自旋測定的情況下，大量的自旋可受到控制。端看所使用的材料，該系統能達到幾十毫秒以上的自旋同調時間，那能用來建立一固態裝置。

"立即的計畫是實驗性地證明這有效，" Wesenberg 說。"在半古典設置（那本質上是電子自旋共振光譜）與之後的量子領域中是頭一個。為此而做的實驗正在耶魯與牛津進行。"

※ 上面專有名詞若有誤請指正。相關報導：

＊ Quantum Computing with an Electron Spin Ensemble
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.070502

J. H. Wesenberg, A. Ardavan, G. A. D. Briggs, J. J. L. Morton,
R. J. Schoelkopf, D. I. Schuster, and K. Molmer
Phys. Rev. Lett. 103, 070502 (2009) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.103.070502