研究人员在量子寄存器中执行逻辑操作和纠错

发光缺陷：钻石中的氮掺杂剂可以用绿灯兴奋，使宝石发出红色。基于斯图加特的研究人员对其实验使用的钻石含有非常少量的氮缺损。在这些缺陷中的一个之一，研究人员中所谓的NV中心产生量子寄存器，在那里它们展示了量子位上的误差校正。

国际物理学家团队发现了一种用少量氮杂质控制钻石的量子系统。

计算机不一定必须执行无差错的计算，以便提供完美的结果 - 它们只需以可靠的方式纠正其错误。这将在未来变得更加重要，当希望量子计算机将比传统的PC更快地解决一些速度，计算过程非常有效，也容易发生干扰。现在，一支由斯图加特大学和斯图加特Max Planck固体研究所的物理学家领导的国际团队已经找到了一种控制钻石的量子系统，特别是少量氮杂质。因此，研究人员可以特别地寻址量子位，即量子计算机的最小计算单元，在菱形中，将几个比特组合到计算寄存器中。它们对逻辑操作使用新的控制程度，这对于量子计算机至关重要，以及用于纠错。

物理学家已经拥有对Quantum Computer的优势：它可以在大型数据库，编码和解码中进行搜索，或者量子物理学中的研究任务比今天的任何可以想象的传统计算机在那里进行。但是，仍然没有明确概念量子计算机的蓝图应该是什么样的;目前，目前可以在可以进行量子处理器的材料中获得真正的最爱。这里可能的选择是由电场捕获的离子，光学晶格中的原子，超导体制成的装置，或掺杂有微小量的氮气的钻石。

物理学家与JörgWrachtrup，斯图加特大学教授和Max Planck固体研究所研究所的研究所，一直在调查一段时间，散发出氮气的钻石。在向量子计算机的道路上，他们现在帮助钻石同时在几个障碍上。基于斯图加特的研究人员不仅通过量子寄存器而产生，因此通过钻石中的传统处理器的对应物进行了影响;它们还能够可靠地控制寄存器，使用它来执行逻辑操作并正确错误。“由于我们同时了解我们系统的量子力学，我们可以使用不需要复杂的低温技术或激光系统的相当简单的方法生产量子寄存器，”JörgWrachtrup说。

量子寄存器处于几个QUBITS的叠加状态

Quantum寄存器始终包含inpidual Qubits（量子位短），其可以与传统位相同的两个状态中的一个，以表示零或一个。然而，与传统比特不同，可以将多个Qubits进入叠加状态，其中每个inpidual塔在“零”和“一个”之间几乎浮动。这意味着每个叠加状态具有不同的出现，并且这些寄存器中包含在量子寄存器中。这些可能性可以像传统计算机的比特一样用于一些并行计算。

量子位在寄存器中组合，更强大，但也更敏感，是处理器。这是因为外部干扰仅从“一个”和“零”之间的浮动状态朝向两个选项之一时，仅从浮动状态推动Qubit。在最坏的情况下，不受欢迎的外部影响破坏了敏感的叠加，并使它无用的并行计算。斯图加特的研究人员现在为此找到了补救措施。

量子寄存器的原理图：通过NV中心和无线电脉冲的电子（蓝色）的相互作用（红色）可以控制NV中心附近的原子（橙色）的核旋转 - 这里是氮原子的核旋转和沉重同位素13c的两个碳原子。每个旋转由箭头表示。

通过缺陷将三个核旋转组合到量子寄存器

它们使用重型C13同位素的两个碳原子和一个氮原子作为量子位。这些原子各自具有核旋转，可以采用磁场中的两个取向，并且可以通过射频脉冲进行操纵。核旋转的方向在核磁共振断层扫描中提供了人体的视图;但是，在Qubit中，它用于提交一点的“零”或“一个”。现在唯一缺少的是控制单元，以允许基于斯图加特的研究人员控制量子位并将它们组合成寄存器。这是由氮原子引起的金刚石的原子晶格中的不规则性，以氮原子引起。

氮缺陷 - 物理学家称之为NV中心（NV：氮空位） - 可以成为一个单一电子的陷阱。电子也具有旋转，其取向也具有对核旋转方向的影响。电子旋转可以切换得比核旋转快，但更容易发生干扰的影响。研究人员使用它用于控制命令，以通过射频脉冲传输无法传输的核旋转。因此，缺陷中的电子提供了量子寄存器中的核旋转之间的通信。最后，物理学家用它作为一种工具来帮助他们阅读核旋转。

具有快速开关和鲁棒存储设备的量子寄存器

“过去，NV中心的电子已被用作存储装置，以便扩展量子寄存器，”Gerald Waldherr说，在实验中起着至关重要的作用。“我们仅使用电子来控制储存量子信息的核旋转。”这允许研究人员使用两个系统的优点：可以使用电子旋转快速切换量子寄存器。相比之下，核旋转以相对可靠的方式存储信息，因为它们承受扰动。

通过电子旋转辅助，物理学家现在使用光和射频脉冲的巧妙结合，以便将三个核旋转操纵到一个叠加状态：它们缠绕核旋转。量子机械纠缠在量子粒子之间产生一种虚拟键，因此他们知道彼此的存在。只有纠缠的系统合适为量子寄存器，因为只有它们允许量子计算机的并行操作。

CNOT门允许其他计算操作

在下一步中，研究人员表明，使用CNOT门 - 对于量子计算机尤为重要的逻辑操作，可以在该量子寄存器中进行逻辑操作。“所有其他操作都可以通过CNOT Gate和Inpidual Qubits的本地操作实现，”Gerald Waldherr说明。CNOT栅极根据第二位交换一位。例如，如果后者表示“一个”，例如，则第一个将从“零”设置为“一个”，反之亦然;然而，如果后者在“零”处，它保持不变。斯图加特的研究人员通过向NV中心或核旋转发送不同的射频脉冲序列，在其寄存器中对核旋转进行了完全进行了这种操作。

完全控制量子寄存器：来自斯图加特大学的物理学家和Max Planck固体研究所研究所修复了几乎一毫米长而宽，一毫米高，高于金基板。它们用绿色激光透光来解决近氮缺陷（NV中心）的电子。金箔中的两个条状切口产生窄导电轨道，导致通向NV中心。该轨道用于产生射频脉冲以操纵近核旋转。

CNOT门不仅对量子计算机的计算功率不可或缺，它也可能成为可能的纠错。虽然核旋转与电子旋转的干扰不那么敏感，但它们绝不是免疫。Gerald Waldherr及其同事展示了量子寄存器中的错误是如何取消其量子寄存器的一个可能的叠加状态的可能性。

为了纠正错误，科学家们受益于叠加状态不是所有可能的旋转方向的任意组合。而是，在这些叠加状态之一中，所有Qubits都是“一个”或“零”。在另一个州，两个总是“一个”。因此，错误立即显而易见。借助于两个完整的Qubits，可以重建第三个的原始状态。CNOT操作是其中选择的工具，因为它根据另一个而切换一位。Quantum寄存器的三个QUBITS上的CNOT操作的巧妙序列不仅示出了一位是否偏离特定叠加状态的特征模式，它甚至可以立即校正错误。

该计划是增加量子寄存器中的QUBIT的数量

“我们目前的工作表明，钻石中的缺陷中心比我们最初想到的更有通用，”JörgWrachtrup说。“我们已经通过更好地理解缺陷而不是投资到材料来获得新发现。”

研究人员也将在未来依赖智能想法，因为他们试图进一步改善钻石在竞争中的钻石前景，以获得最有用的量子寄存器。首先，他们希望增加他们的注册中的Qubits的数量。为此，他们希望整合核旋转，这发现与电子通信比其当前计算寄存器的三个旋转更难以与电子通信。如果他们成功地纠缠了几个NV中心并解决了史式中心附近的相关核旋转，它们也可以扩大量子寄存器。因此，它们也将拥有网络旋转，这些核旋转由近缺陷控制。然后，量子寄存器将慢慢接近它实际上可以挑战传统处理器的尺寸，以实现一些计算任务。

出版物：G. Waldherr等人，“固态混合旋转寄存器中的量子纠错，”自然，2014; DOI：10.1038 / Nature12919

研究报告的PDF副本：固态混合旋转寄存器中的量子误差校正

图片：Universität斯图加特;自然; DOI：10.1038 / Nature12919;杰拉尔德瓦尔德赫尔