量子信息处理实用化研究获进展

量子信息处理不同于经典信息处理，而是采用了0和1叠加态，能指数式提高存储容量和运算速度，将带来新一代信息革命。超导量子比特因其基于固态电路，便于控制、集成和扩展等优势，虽然起步较晚，但已被公认为是最具潜力的量子信息处理方案之一，受到广泛关注，近年来更是得到了快速的研究和发展。目前已有研究小组在实验上演示了一个、两个超导量子比特的相干操控，证明了其作为量子信息处理在原则上的可行性。但是，由于量子比特容易受外界干扰导致退相干，为了保证计算结果的准确性，计算过程中必须进行量子纠错，而三个量子比特的相干操控和纠缠是量子纠错的基础，是实现实用量了计算亟待解决的主要问题之一，因此这一课题已成为国际上的攻关目标。然而，每增加一个量子比特都是一个里程碑式的工作，是一个非常重要而又艰苦的工程。最近电子科学与工程学院孙国柱副教授所在小组首次攻克了这一难关。该小组在超导量子比特系统中，实现了超导量子比特与其中的两个微观两能级系统的耦合，这种耦合形成了能级的免交叉。量子态来回通过这些免交叉时，将发生干涉现象。此类免交叉的作用相当于光学中的分光镜，而且这些分光镜对量子态的反射和投射率，完全可以通过外加的扫过免交叉的扫描速率来控制。该小组利用一个简单的三角波扫描和Landau-Zener隧穿效应，就实现了Landau-Zener-Stückelberg量子干涉，精确调控了量子态跃迁，从而在超导量子比特系统中，首次在实验上实现了对包含三个量子比特的固态量子系统的相干操控。该方案改变了之前由于超导量子比特退相干时间较短、缺乏高精度的调控手段的历史，可以用于制备量子信息处理中非常重要的三比特纠缠态W态，成为量子信息处理的实用化进程上的重大突破，是一个新的里程碑。同时，超导量子比特作为宏观量子系统，其多比特的纠缠在量子力学的基础研究方面也有着极其重要的意义。该小组的实验结果和基于量子力学机制的理论计算结果完美吻合，很好的验证了量子力学在宏观系统中的表现。该成果已发表在国际著名杂志NATURE子刊《自然—通讯》（Nature Communications）（DIO：10.1038/ncomms1050）上。（来源：南京大学）