我院杜江峰教授研究组在量子计算方面获重大突破

10月29日出版的最新一期英国《自然》杂志发表了我院近代物理系杜江峰教授研究组与香港中文大学刘仁保教授的合作成果。他们通过电子自旋共振实验技术,在国际上首次通过固态体系实验实现了最优动力学解耦,极大地提高了电子自旋的相干时间,有效地保持了固态自旋比特的量子相干性,对固态自旋量子计算的真正实现具有极其重要的意义。

    同期《自然》杂志的《新闻与展望》栏目还专文发表了题为“Quantum information: Caught at the finishing line”的评述文章介绍该成果,文章指出:“量子系统不可避免的信息损失限制了它的实际应用。

” “杜江峰及其同事的研究表明,通过精巧的脉冲控制,可以使固态电子自旋量子比特体系的这种有害效应降到最小,” “从而大大减少了量子体系中量子信息的流失。

他们所使用的量子相干调控技术被证明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量子信息流失的一个重要资源,取得的研究进展的重要性在于极大提升了现实物理体系的性能,从而朝实现量子计算迈出重要的一步。”

    将量子力学和计算机科学结合并实现量子计算是人类的一大梦想。量子计算的本质就是利用量子的相干性,而在现实中,由于环境不可避免地会对量子系统发生耦合干扰,使量子的相干性随时间衰减,发生消相干,使得计算任务无法完成。因此,为了使量子计算成为现实,一个首要急需解决的问题就是克服消相干。

    为了保持量子相干性,物理学家提出了很多种方法,其中,最优动力学解耦是最有效的方法之一。最优动力学解耦方法就是通过一串精心设计的微波脉冲直接作用于自旋电子,让自旋电子反复翻转,“感受”到的外力上下翻转,消去电子自旋与环境中核自旋之间的耦合,保护电子自旋的量子相干性。

    杜江峰研究小组利用国内唯一可以同时操控电子和核自旋的实验平台,第一次在真实固态体系中开展独立实验,实现了最优动力学解耦方案。他们用最多7个微波脉冲把一种叫丙二酸的材料里的电子自旋的相干时间从不足二千万分之一秒提高到了近三万分之一秒,这个时间已经能够满足一些量子计算任务的需要。

他们的研究还显示,即使在常温下,这样的方案也是可以工作的,这为用固态材料研制出能在室温下使用的量子计算机奠定了基础。

    一旦实际固态体系的各种退相干机制被人们完全了解,高精度的相干控制将更加容易,距离量子计算机的真正实现也不再遥远。