可创建金刚石系综氮空位中心量子比特任意叠加态的系统技术方案

本实用新型专利技术属于量子计算领域，公开了可创建金刚石系综氮空位中心量子比特任意叠加态的系统，在这样的系统中，使用任意波发生器驱动连续激光光路中的声光调制器构建能产生量子比特任意叠加态的一组双色光脉冲，双色光脉冲场强中的所引入的额外自由度被用来最优化脉冲的形状，使之对系统中存在的频率失谐量呈现出高鲁棒性，从而在短作用时间内以高保真度创建量子比特的任意叠加态；产生的光脉冲可以在4ns的作用时间内生成一个量子比特的任意叠加态，在

【技术实现步骤摘要】
可创建金刚石系综氮空位中心量子比特任意叠加态的系统


[0001]本技术属于量子操控，量子计算领域，具体涉及量子比特任意叠加态的系统。

技术介绍

[0002]十九世纪末，经典物理发展的日趋成熟给人们的生活带来了翻天覆地的变化。随着信息学发展，近年来对大数据，人工智能等研究的持续深入，意味着要对信息处理的速度要求越来越高，出现了一些无法用经典物理解释的现象，所以用经典计算机进行信息处理越来越困难，寻找新的解决方法成为了目前亟待解决的事情。此时二十世纪量子力学的出现就能够描述物理学无法描述微观世界的领域。目前，随着量子力学领域的逐步完善和发展，量子计算的优越性正在一步一步地得到体现。它们使用的不是由1和0组成的传统比特，而是同时代表不同数值的量子比特，即用两个量子态|0>和|1>来编码信息。而且这些信息的处理通过微波脉冲或者光脉冲等其他方法来实现。这样，量子计算存储超大的信息量，并且计算速度呈现指数型上升。再者，由于量子计算机的复杂性，让它们在执行某些任务时速度更快、使它们能够解决现代机器几乎不可能解决的问题。因而广泛应用于量子神经网络模拟，人工智能，大质因数分解，无序数据库检索等方面。并且在材料学、生物学、信息学等领域的广泛应用也促进了新兴交叉学科的诞生。然而，量子计算在实现过程中，往往会受到周围环境噪声的影响，量子态脆弱而敏感，所以操控量子态往往会有一定的困难。所以寻找到一个具有极好相干性质、易于操控并且操控保真度足够高的物理系统将会是一个极大的挑战。
[0003]目前，承载量子比特的物理系统有很多种，比如囚禁离子系统，超导量子比特系统，稀土离子系统，金刚石氮空位中心系统等。不同的系统有各自不同的特点，因此针对不同载体所在系统的特点，来设计合适的光脉冲以实现高保真度量子态操控，这对于量子计算的研究与发展具有重要的意义。
[0004]在这些系统中，金刚石氮空位中心因为有着简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁以及在室温下有着超长的自旋量子态相干时间吸引了很多研究人员的兴趣。这其中它的最大特点就是其自旋量子比特在室温下的极长相干时间，其极长的自旋态相干时间带来了极高的磁场探测灵敏度，加上氮空位中心是亚纳米尺度的结构，稳定存在于金刚石单晶和纳米颗粒中，也便于和其他系统(比如光腔和微波腔)耦合，而且用光学方法和射频微波脉冲就实现极高效率的量子操控。在氮空位中心实验系统中，一般会通过外加磁场的塞曼效应将能级分裂，可得到二能级或者三能级系统，在这样的系统中，为了实现对量子比特的初始化操作，需要对氮空位中心中自旋的状态进行操控。调控氮空位中心自旋态使用的是自旋磁共振技术，即利用微波场与自旋的相互作用，来调控自旋态的演化。其基电子自旋态通过光跃迁进行量子态的初始化和读出，利用微波进行量子态的操控，构成任意叠加态。而在系综氮空位中心系统中，就会出现自旋系综，由于自旋在金刚石中的随机分布可能会产生系综中自旋跃迁的非均匀展宽，而且在系综氮空位中心中，非均匀展宽的程度强烈依赖于氮空位中心的浓度，如果将系综氮空位中心作为一个量子单元进行操控的话，就
需要对非均匀展宽有高鲁棒性。所以在进行量子态操控时，其主要限制性因素是在一定范围内固有频率失谐造成的退相干效应。即在这种系统中，创建量子比特任意叠加态时，量子操控要对系综量子比特中存在的频率失谐需要有较好的鲁棒性。
[0005]首先以系综氮空位中心为例，在该系统中，其基态由于在|m
s
＝0>和|m
s
＝
±
1>之间的零场分裂会产生一个自旋三重态。然后在|m
s
＝
±
1>的亚能级上通过沿着氮空位中心的结晶轴施加外部磁场，产生一个额外的塞曼分裂，产生一个三能级系统。通常情况下，一个氮空位中心通常被认为是一个自旋，而一个系综氮空位中心被认为是一个系综自旋。实验中，为了对基电子自旋态进行量子态的初始化和读出，通常会通过3A基态|0>
j
分别与第一激发态|1>
j
和第二激发态|2>
j
进行光学跃迁。由于自旋在金刚石中的随机分布可能导致系综中自旋跃迁的非均匀展宽(约300MHz)，且非均匀展宽的程度强烈的依赖于氮空位中心的浓度(这里以氮空位中心的数量为10
12
进行说明)，如果把这些系综氮空位中心作为一个量子单元，针对其中的系综量子比特来进行操控的话，那就要求量子操控对于频率失谐量具有高鲁棒性。此时就需要针对微波和光脉冲进行合理设计，来针对系统中出现的非均匀展宽实现高保真度操控。
[0006]然后以掺杂浓度为0.05％的稀土离子系统Pr
3+
:Y2SiO5为例，在微量镨离子取代基质晶体中的钇离子形成掺杂晶体的过程中，基质晶格发生畸变，非均匀展宽可以达到GHz量级，而每个镨离子的细窄跃迁线全部被埋藏在其中。在此系统中，先需要采用光学烧孔技术在非均匀展宽线中创建一个宽度约18MHz的零吸收区域；然后通过光泵浦有选择地把一小部分光学跃迁频率相近的(线宽约170kHz)离子泵浦回这个区域中，作为一个量子比特。它由数十亿个随机分布的稀土离子来表征，因此被称为系综量子比特。其中，两个量子比特能级|0>和|1>间之间的耦合通过各自与一个激发态|e>之间的光学跃迁来实现。在这种系统中，要想高保真度地创建量子比特任意叠加态，量子操控不仅要对系综量子比特中存在的由非均匀展宽造成的频率失谐具有较好的鲁棒性，而且要对量子比特离子寻址频率附近的其他离子的非共振激发具有较强的抑制作用。
[0007]所以在类似这样的三能级系统中，要想快速且高鲁棒性的创建一个任意量子比特叠加态，需要满足：(1)在系综氮空位中心系统中：光脉冲在较短时间4ns内能对300MHz频率失谐范围内对多量子比特进行同等操控，即需在
±
300MHz范围内产生高保真度。(2)在稀土离子系统中：光脉冲在较短时间4μs内能对
±
170kHz频率失谐范围内的系综量子比特进行同等操控，即在此区间的操控保真度尽可能接近于1；对距离系综量子比特离子约3.5MHz以外的其他离子的非共振激发足够小。
[0008]目前用于设计其光脉冲的方法大致归为三类：(1)简单共振脉冲；(2)量子绝热通道技术；(3)量子绝热捷径技术。简单共振脉冲速度虽然快但极易受到系统参数变化的影响，鲁棒性较差；量子绝热通道技术对于参数的变化具有较好的鲁棒性，但需要满足绝热条件，因此操作时间较长，容易受到退相干的影响；为了同时兼顾快速和高鲁棒性的要求，量子绝热捷径技术被提出。常见的量子绝热捷径技术有两种，一种是基于Lewis
‑
Riesenfeld不变量的逆向工程方法，另一种是无跃迁量子驱动理论。这两种方法均已被证明快速且高鲁棒性地进行量子比特的初始化操作。
[0009]目前存在的针对三能级系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可创建金刚石系综氮空位中心量子比特任意叠加态的系统，包括激光器、声光调制器、任意波发生器、示波器、金刚石系综氮空位中心、光电探测器；其特征在于：激光器的输出波长在450
‑
570nm之间，输出的激光线宽不超过20MHz；激光器输出的激光入射至由任意波发生器驱动的声光调制器上；所使用的任意波形发生器产生两列时长相同，振幅、频率和位相都不同，且振幅均随时间变化的无线电脉冲；该声光调制器的+1阶或
‑
1阶光路中放置有金刚石系综氮空位中心；光电探测器放置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈添凤，延英，莫泽，邱嘉旻，彭宏，乐猛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：