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赏金总量：35 USD
研究种类：Quantum Computing, Qubit, Dimond NV
原文作者: Digital Catapult
创作者：Xinyang@DAOrayaki.org
审核者：Heyyawn@DAOrayaki.org
原文: A qubit case study on diamond NV centres…
概述
量子计算和通信需要高质量的量子比特。在之前的博文中，我回顾了当前 不同的量子比特技术。本文面向希望更详细了解量子计算硬件的读者，会涉及一些物理知识。文章聚焦于金刚石氮空位（NV）中心量子比特，初始化、操纵和测量量子比特的技术不多赘述。
我将研究金刚石氮空位中心量子比特是否满足 David DiVincenzo 的七个 标准 ，其中五个标准与量子计算有关，他认为我们需要：
1. 一个可扩展的物理系统，具有良好表征的量子比特
2. 初始化量子比特状态的能力
3. 比门操作时间长得多的长相关退相干时间
4. 一套通用的量子门
5. 特定于量子比特的测量能力
对于量子通信我们需要：
1. 转换静止和飞行量子比特的能力
2. 在指定地点之间忠实传输飞行量子比特的能力
在解释这些技术术语之前，让我们从金刚石氮空位中心开始看起。
纯金刚石对光是透明的。然而，有时金刚石的碳原子规则晶格存在缺陷。当存在缺陷时，金刚石可以吸收不同波长的光，并呈现彩色，如下图所示。
金刚石氮空位（NV）色心是当一个氮原子取代一个碳原子，并且邻近的另一个晶格点刚好也缺少一个碳原子时，形成的缺陷（见下图）。被困在空位中的电子形成 NV 色心，该色心吸收特定波长的光，并具有有用的光学和自旋特性。
David DiVincenzo 的第一个标准是“一个具有良好表征的量子比特的可扩展物理系统”。让我们看看金刚石 NV 色心是否可扩展，并看看相关的能级。
可扩展性和量子比特能级
有用的量子设备需要许多量子比特，了解量子比特如何扩展非常重要。 2019 年 Conor Bradley 展示了 多达十个量子比特的金刚石 NV 色心量子寄存器。这比离子阱设备中可用的量子比特数和 IBM Eagle 设备 127 个量子比特的数量要少。幸运的是，有成熟的纳米制造技术可以在未来用于增加金刚石 NV 中心的量子比特数量。此外，对金刚石中的其他色心也有研究，Noel Wan 在 2019 年的 论文 推测，硅和锗空位中心可能更容易集成到大型设备中。
现在让我们看看金刚石 NV 色心能级。如果您对细节感兴趣，那么您可能会喜欢 Xing Rong 等人 2015 年这篇 论文。每个绑定到 NV 中心的电子都有 ½ 的“自旋”。当两个电子指向相反方向时，自旋抵消，总自旋 ms=0。当两个电子指向同一方向时，自旋相加得到总自旋 ms=+1 或 ms=-1。在这种配置中，由于所谓的“自旋-自旋”相互作用，电子能量更高。下面的能级图显示了可能的电子能量：
电子在与磁场对齐时具有较低的能量，因此当施加磁场时，ms=-1 状态将具有比 ms=+1 更高的能量。
金刚石 NV 中心有两个明确定义的状态：基态 ms=0 状态 | 0>和激发的 ms=+1状态 | 1>，如图所示。这些状态，称为“计算基础”，用于量子计算。这里未使用 ms=-1 状态
现在我们已经定义了计算基础，即 |0> 和 |1> 量子状态，让我们看看如何初始化量子比特以准备开始计算。
初始化量子比特
如果一束具有完全正确频率的激光束照射在我们的金刚石 NV 中心，那么处于 |0> 和 |1> 状态的电子都会吸收光子并被泵送到更高的能级。然后这些电子会发出荧光并返回到它们的原始状态。然而，以|1> 态开始的电子也可以通过单重态衰变回其原始状态。从单重态到 |0> 状态的转换相比到 |1> 状态的转换容易，因此 |0> 状态的概率增加。这些转换在图中显示为棕色。如果激光照射的时间足够长，NV 中心将被初始化为 |0> 状态。
在展示了我们可以初始化我们的量子比特之后，让我们看看相干时间。
相干时间
没有一个量子设备可以是一个完全封闭的系统，并且量子比特可以与环境耦合，例如，通过杂散电磁场或周围的热浴，在它们退相干时丢失有关其量子状态的信息。因此，必须在整个量子计算过程中保持相干性，在这方面，金刚石 NV 色心与其他量子比特类型相比表现得很好。
金刚石是在高温和高压下形成的，金刚石晶格中的每个碳原子与其他碳原子有四个坚硬、稳定的键。这减少了声子（振动量子）的数量并增加了相干时间。
相干时间可以通过一种称为动态去耦的技术进一步增加，其中微波脉冲来回翻转量子比特以平均化环境的影响。这当中使用了两种类型的脉冲：CPMG，其中脉冲具有统一的时间间隔；以及 UDD，其中脉冲时间间隔会变化。关于用哪种脉冲类型最好，有很多的研究。
如果使用的金刚石不纯，NV 中心自旋会与不断变化的碳 13 和氮 14 核自旋耦合，并且相干性会逐渐丧失。通过使用纯度高达 99.9995% 的碳 12 和小于 10 亿分之十的氮置换，Jingfu Zhang 等人 表明在室温下运行的两个金刚石 NV 中心量子比特可以解决 Grover 的搜索算法。
初始化我们的量子比特后，我们需要对量子比特量子状态进行操作。
一组通用门
单量子比特门操作
当短微波脉冲以与 |0> 和 |1> 状态之间的能隙匹配的频率应用于单个量子比特时，如下所示，就会诱导“拉比振荡”（Rabi oscillation），导致量子比特的量子态在 |0> 和 |1> 状态之间振荡。
通过仔细控制微波脉冲的持续时间和能量，量子比特可以被迫进入不同的量子状态。例如，在下图中，一个 10 纳秒的脉冲会将量子比特状态从 |0> 状态移动到 |1> 状态。 5 纳秒的脉冲会将状态移动到 1/2 (|0> + |1>) 叠加状态。在测量量子比特的叠加状态中，发现它有一半时间处于 |0> 状态，其余时间处于 |1> 状态。这种叠加态是量子计算的基础。在一些算法中，两种状态是同时采样的，这种“并行处理”导致了效率的巨大提升。
两个量子比特门操作
CNOT 门是一个量子比特门，如果控制量子比特处于 |1> 状态，则目标量子比特的状态被翻转。在金刚石 NV 中心中，可以实现混合 CNOT 门，其中 NV 中心使用射频脉冲控制目标核量子比特的自旋。如果 NV 中心处于 |1> ms=1 状态，它会产生一个磁场，该磁场与附近的碳 13 和氮 14 自旋耦合。每个原子核与 NV 中心的距离和对齐方式不同，就有不同的磁场和不同的共振频率，因此可以使用这种独特频率的无线电脉冲进行控制。
如果 NV 中心处于 |0> ms=0 状态，则没有磁场，并且在施加射频脉冲时核自旋不会改变。
这就有了一个 CNOT 门，其中核量子比特的状态会改变或不改变，这取决于 NV 中心量子比特的状态。
量子门不可避免地容易出错。在 2015 年 论文 Xing Rongan 报告了 0.999952 的平均单量子比特门保真度和 0.992 的双量子比特门保真度，比竞争对手的超导和离子阱方案的门保真度稍低一点。
在确定我们可以实现一个和两个具有合理保真度的量子比特门之后，让我们看看在计算完成后如何测量量子比特状态。
量子比特状态的测量
可以使用称为光学检测磁共振 (ODMR) 的技术来测量量子比特状态。如果 NV 中心处于 |0> ms=0 状态，则绿色激光脉冲会产生红色荧光。 |0> 状态的荧光更高，因为在单重态中， |1> 状态的额外非辐射衰变途径可用（在下图中以棕色显示）。这意味着如果 NV 中心处于 |1> ms=-1 状态，则它是“暗”的。通过使用光探测器测量量子比特是荧光还是暗的，可以确定量子比特的状态。
金刚石具有高折射率，因此基态的荧光光子可能会经历全内折射并保留在金刚石中。如下图所示，基于 Lucio Robledo 等人 2011 年 论文中，集成的固体浸没透镜可以帮助光子逃逸。
尽管有这个镜头，但始终存在与初始化和测量过程相关的状态准备和测量 (SPAM) 错误。
量子通信
在一篇 2021 年的论文中，Matteo Pompili 等人通过实现 使用金刚石 NV 中心的三节点量子网络，向量子互联网迈出了重要一步。光子充当量子通信所需的飞行量子比特，用于纠缠金刚石 NV 中心量子比特。其中一颗金刚石上的碳 13 原子充当了记忆量子比特。在下图中，红色显示金刚石 NV 中心，蓝色显示核量子比特。
总结一下
基于金刚石 NV 中心的量子比特符合 David DiVincenzo 的量子计算和通信七项标准。量子比特可以被初始化、测量，并且可以执行单门和两门操作。相干时间非常好。另一方面，混合的两个量子比特门具有相对较低的门保真度并且是不对称的，因为核自旋量子比特始终是目标门。与其他量子比特类型一样，初始化和测量除了来自退相干和门操作的错误外，还会引入 SPAM 错误。与其他当代设备相比，NV 中心实现的量子比特更少。
NV 中心能够与充当飞行量子比特的光子相互作用。这使得基于金刚石 NV 中心的量子比特很可能被部署在量子通信中，集成的核自旋量子比特提供有限数量的量子存储器。
鉴于这些良好的特性，在金刚石 NV 量子计算技术方面有大量工作也就不足为奇了，Quantum Insider 杂志的一篇最新 文章列出了正在研究金刚石 NV 量子计算技术的五家公司。
这篇博文是基于我在伦敦大学学院的量子技术硕士课程中写的一个案例研究。
2022 年 8 月
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