科学家实现零磁场下金刚石量子存储器的量子纠错

近日，科学家首次在零磁场下实现了金刚石量子存储器的量子纠错。

金刚石中的氮-空位色心作为量子存储器，通过纠错编码实现自动纠错，图片来自横滨国立大学

与传统计算机相比，科学家认为量子计算机在特定复杂问题上的运行速度可以快几千倍，并可能在化学、密码学、金融、制药等领域实现创新。因此，科学家正在寻找构建量子计算机网络的方法。其中，容错量子存储器将发挥重要作用，因为它在软硬件发生故障时依然具有良好的响应能力。

当科学家操控基于核自旋的量子存储器时，需要用到磁场。但磁场阻碍了超导量子比特的集成。量子比特是量子计算机中信息存储的基本单位，类似于传统计算机中的二进制位。

日本横滨国立大学(YNU)研究组正在探索一种对操作或环境具有容错能力的量子存储器。团队研究了金刚石（钻石的原石）中的氮-空位色心（NV色心），以进一步开发容错量子计算机技术。

NV色心是一种在金刚石晶体结构中最常见的点缺陷，是当前最具代表性的量子体系。作为重要的量子材料，NV色心是原子级别的固态设备，拥有光学可调的自旋自由度，在固态量子处理器中具有量子比特和量子探测器等核心功能，并有望在量子计算等一系列应用中发挥作用。

此次，前述团队在零磁场下利用具有两个碳同位素核自旋的金刚石氮-空位色心，在量子存储器中证明了量子容错。相关成果近日发表在《通讯-物理》(Communications Physics)。

有磁场和零磁场情况下的碳自旋操控，图片来自论文

为扩大基于超导量子比特的量子计算机规模，团队必须在零磁场下工作。当磁场发生变化时，一般会产生两种影响量子比特的错误：比特翻转和相位翻转。

团队通过三维线圈来抵消包括地磁场（地球内部存在的天然磁性现象）在内的残余磁场，在零磁场下测试了针对比特翻转和相位翻转错误的三个量子比特的量子纠错，证明前述量子存储器经过纠错编码，可以在错误发生时自动纠错。

以往的研究都是在相对较强的磁场下研究量子容错，横滨国立大学研究组首次展示了在没有磁场的情况下对电子和核自旋进行量子操作。

三个量子比特量子纠错(QEC)的量子电路，用于纠正比特翻转(a)和相位翻转(b)错误，图片来自论文

“量子纠错使量子存储器在不需要磁场的情况下对操作或环境具有容错能力，并为分布式量子计算，以及具有基于存储的量子接口或中继器的量子网络开辟了一条道路。”横滨国立大学教授、论文主要作者Hideo Kosaka说道。

前述成果可以应用于构建大规模分布式量子计算机和长距离量子通信网络，例如将超导量子比特、基于核自旋的量子存储器等易受磁场影响的量子系统连接起来。

未来，团队计划将研究技术进一步拓展。Kosaka表示，“我们希望开发出超导和光子量比特之间的量子接口，以实现大规模容错量子计算机。”