反馈技术将量子叠加时长提高1000倍 有望推动量子计算机实现

科技日报北京4月7日电 （记者刘霞）量子计算机胜过传统计算机的“秘密武器”是量子叠加，但量子叠加很脆弱，延长其寿命是研制大型通用量子计算机面临的主要“拦路虎”之一。在7日出版的《自然》杂志上，美国科学家称，他们在由合成钻石制造的量子设备内使用一种量子反馈技术，将量子叠加的时长提高了1000多倍，向最终研制出可靠的量子计算机迈出了重要一步。

上海交通大学物理与天文系金贤敏教授对科技日报记者解释称，反馈控制是让大多数物理系统保持稳定的最好方法：测量系统目前的状态并产生一个控制信号，控制信号能让系统返回其理想状态，但测量会破坏量子叠加，因此，量子计算机专家不得不“忍痛割爱”。最新论文主要作者、麻省理工学院（MIT）核科学和工程学副教授葆拉•卡佩拉罗说：“我们用量子的反馈控制来保护量子叠加，在此过程中不需要测量。”

最新系统使用钻石内的氮空位中心：纯净钻石由采用规则晶格结构排列的碳原子组成。如果一个碳核不在应在的晶格内，那就是一个空位。如果一个氮原子鸠占鹊巢，在晶格内取代碳原子，且与一个空位相邻，那就形成一个氮空位（NV）中心，其能代表一个量子比特，且拥有几大优势：首先，它是物理结构固有的属性，不再需要其他用于捕获离子或原子的硬件；其次，氮空位中心是自然光发射器，从其读取信息相对来说更简单一些。

据MIT官网消息，在实验中，研究人员用氮核的自旋状态来控制NV的电子自旋：微波先让NV中心的电子自旋进入叠加状态，射频辐射接着让氮核进入特定的自旋状态，另一些低功率微波随后让氮核同NV中心的自旋发生“纠缠”。此时，NV量子比特能执行计算。之后，第三批微波被用来解除氮核与NV中心间的纠缠。最后，系统暴露于一个微波序列之下。这种暴露是被精确校准了的，即使如此，它们对NV中心的影响还是取决于氮核的状态。如果计算中出现错误，那么，微波将纠正这一错误，如果没有，激光不会改变NV中心的状态。

结果表明，使用这一反馈控制系统，一个氮空位中心量子比特能保持叠加状态的时间是不使用这一系统的1000倍。