新方法，更容易缩放量子器件

麻省理工学院的一个研究小组开发了一种方法，可以“招募”由钻石纳米级缺陷构成的相邻量子比特，从而帮助进行量子操作，而不是造成干扰。这一进展可能有助于研究人员扩大量子设备的规模。

量子设备使用被称为“量子位”的量子位来执行操作，它可以表示与经典二进制位(0或1)对应的两种状态，或者同时表示两种状态的“量子叠加”。这种独特的叠加态可以让量子计算机解决经典计算机几乎不可能解决的问题，这可能会推动生物传感、神经成像、机器学习和其他应用领域的突破。

一个很有希望的量子比特候选者是钻石中的一种缺陷，它被称为氮空位(NV)中心，它拥有可以被光和微波操纵的电子。作为回应，这种缺陷会释放出携带量子信息的光子。然而，由于它们的固态环境，NV中心总是被许多其他未知的具有不同自旋特性的缺陷所包围，这些缺陷被称为“自旋缺陷”。当可测量的nv中心量子位与那些自旋缺陷相互作用时，量子位就失去了它的相干量子态——“脱聚体”——操作就会崩溃。传统的解决方案试图识别这些中断的缺陷，以保护量子位元不受它们的影响。

在2月25日发表在《物理快报评论》上的一篇论文中，研究人员描述了一种利用NV中心探测其环境并发现其附近存在的几个自旋缺陷的方法。然后，研究人员可以精确定位缺陷的位置，并控制它们达到相干量子态——本质上就是利用它们作为额外的量子位。

在实验中，该团队生成并检测了三种电子自旋之间的量子相干——将量子系统的规模从单个量子位(NV中心)扩大到三个量子位(增加两个附近的自旋缺陷)。研究人员说，这一发现表明，利用NV中心扩展量子设备的技术向前迈进了一步。 

“在与NV中心相互作用的环境中，总是会有未知的自旋缺陷。我们说，‘我们不要忽视这些自旋缺陷，(如果不去管它们)可能会导致更快的退相干。“让我们了解它们，描述它们的自旋，学习控制它们，并‘招募’它们成为量子系统的一部分，”论文的第一作者之一Won Kyu Calvin Sun说。他是核科学与工程系的研究生，也是量子工程小组的成员。“然后，我们可以使用两个、三个或四个量子位元，而不是一个量子位元或一个量子位元。”

与孙一起撰写论文的是加州理工学院的主要作者Alexandre Cooper ‘ 16;Jean-Christophe Jaskula，麻省理工学院电子研究实验室(RLE)的研究科学家，麻省理工学院量子工程小组成员;以及核科学与工程系教授、RLE成员、麻省理工学院量子工程小组负责人保拉·卡佩拉罗(Paola Cappellaro)。

描述缺陷

NV中心出现在钻石晶格结构中两个相邻位置的碳原子缺失的地方——一个原子被一个氮原子取代，另一个空间是一个空的“空位”。“NV中心本质上是一个原子，原子核和周围的电子对周围电场、磁场和光场的微小变化非常敏感。例如，扫过中心的微波会使其改变，从而控制原子核和电子的自旋状态。

自旋是用一种磁共振波谱测量的。这种方法以兆赫为单位绘制电子和原子核自旋的频率，作为一个“共振谱”，可以像心脏监测器那样下降和上升。在某些条件下，NV中心的自旋是众所周知的。但其周围的自旋缺陷是未知的，很难描述。

在他们的工作中，研究人员识别、定位并控制了NV中心附近的两个电子-核自旋缺陷。他们首先发射特定频率的微波脉冲来控制NV中心。同时，他们发射另一种微波，探测周围环境中的其他自旋。然后他们观察了自旋缺陷与NV中心相互作用的共振谱。

当探测脉冲与附近的电子-核自旋相互作用时，表明它们的存在，光谱下降了几个点。然后，研究人员在不同方向扫过该区域的磁场。对于每一个方向，缺陷会在不同的能量下“旋转”，导致光谱的不同倾斜。基本上，这使他们能够测量每个缺陷的自旋与每个磁方向的关系。然后，他们把能量测量值代入一个参数未知的模型方程。该方程用于描述磁场作用下电子-核自旋缺陷的量子相互作用。然后，他们可以解出这个方程来成功地描述每个缺陷。

定位和控制

在描述了缺陷之后，下一步是描述缺陷和NV之间的相互作用，这将同时确定它们的位置。为了做到这一点，他们再次扫描了不同方向的磁场，但这一次寻找的是描述两个缺陷和NV中心之间相互作用的能量变化。相互作用越强，他们就越接近对方。然后他们利用这些相互作用的强度来确定缺陷的位置，与NV中心以及彼此之间的关系。这就产生了一个关于钻石中所有三个缺陷位置的好地图。

描述缺陷及其与NV中心之间的相互作用可以实现完全控制，这需要更多的步骤来演示。首先，他们用一连串的绿光和微波脉冲将NV中心和周围的环境激发出来，帮助将这三个量子位元置于一个众所周知的量子态。然后，他们使用另一个脉冲序列，理想地短暂纠缠这三个量子位元，然后解开它们，这使他们能够检测量子位元的三自旋相干性。

研究人员通过测量共振谱中的一个主要峰值来验证三自旋相干性。记录的脉冲的测量实质上是三个量子位的频率之和。例如，如果这三个量子位元很少或没有纠缠，就会有四个较小高度的独立尖峰。

“我们进入了一个黑匣子(每个NV中心的环境)。但是当我们探测到NV环境时，我们开始看到下降，并想知道是哪一种自旋使我们下降。一旦我们弄清了未知缺陷的自旋，以及它们与NV中心的相互作用，我们就可以开始控制它们的相干性了。“然后，我们就可以完全普遍地控制我们的量子系统。”

接下来，研究人员希望能更好地理解围绕量子位元的其他环境噪音。这将有助于他们为量子电路开发更健壮的纠错代码。此外，因为平均而言，钻石中的NV中心的形成过程会产生许多其他的自旋缺陷，研究人员说，他们可能会扩大系统的规模，以控制更多的量子位。“规模越大，情况就越复杂。但如果我们能开始发现更多共振峰的NV中心，你就能想象开始控制越来越大的量子系统。