基于金刚石色心体系的通用可编程量子处理器研究

Universal quantum computation is a new arising field in current quantum computing researches. Recently, pioneering scientists have start studying the universal quantum computation experimentally in the Trapped-Ions and Superconductor Quantum Chip, including the quantum computing architecture and universal quantum processor. On the other side, N-V center in the diamond is an arising field in the research of quantum control and quantum computation, and is a potential scalable quantum computing platform in the room temperature. The field of N-V center quantum computing is just in its infant, and we are planning to combine this two field together to study the universal quantum computation on the N-V center platform. There're two aspect we are interested, which are 1) realizing a programmable quantum processor on the N-V center system, i.e., a quantum processor that is controller by "programming" several parameters; 2) perform a proof-of-principle experimental implementation of the quantum computer architecture which is composed of quantum processor, quantum memory and classical controller.

过去十多年，量子计算研究已经在基本量子控制方面取得许多重要实验进展，国际上许多研究人员比如诺贝尔奖获得者Wineland教授已经开始开展通用量子计算方面的前沿实验研究，包括可编程量子处理器以及量子计算系统的组成结构等。另一方面，基于金刚石色心的单自旋量子调控是当前国际量子信息领域新兴的热点，也是有可能实现可扩展量子计算的平台之一。更为重要的是金刚石色心在室温下就可以实现单自旋量子态调控和检测。当前国际上对此方向的研究才刚刚起步，本项目拟抓住这个领先机会，开展基于金刚石色心的通用可编程量子处理器的实验研究。我们主要准备开展两方面的工作：1)利用电子自旋和附近的核自旋开展可编程量子处理器研究，即实现通过"编程"方式控制量子比特完成任意的量子操作。2)在通用量子处理器的基础上，探索组成量子计算系统的各个部分之间的关系。

过去二十年量子计算实验技术进展迅速，作为量子计算基本单元的量子比特在许多体系上已经可以实现精确控制和小规模集成。在许多人看来，量子计算的美好前景正在一步步的接近现实。不过，从基本的量子比特到应用量子计算解决大规模实际问题还是有很长的路要走。如何集成，管理足够多的量子比特，以及如何实现足够精确和快速的量子操作都是量子计算应用中要面临的问题。从经典计算机角度做一个类比，就是如何从基本的逻辑电路实现整个现代计算机系统，即计算机架构问题。本项目主要研究内容是如何设计并实现基于金刚石NV色心体系的量子通用可编程处理器以及量子冯诺依曼架构。研究计划主要包括4个部分：1)样品制备；2)实验设备及脉冲技术改进；3)开发NV电子自旋及附近核自旋资源构成多比特量子系统；4)原理性验证量子通用可编程处理器及量子冯诺依曼架构。到目前为止，我们已经制备了样品同时也改进实验设备已满足要求，在此基础上我们已经实现了普适条件下2比特和3比特量子系统的制备和初始化，其中N核自旋的极化度超过99%。同时我们也设计了通用量子计算机方案以及量子冯诺依曼架构方案及小比特下的实验演示。在本项目的支持下，到目前为止申请人以第一或通讯作者身份发表自然指数论文2篇，另有多篇工作正在进行中。该项目对量子计算架构的实验研究具有重要意义。