量子計(jì)算被認(rèn)為是下一代信息技術(shù)的重要方向，但由于量子比特非常脆弱，通常只能在極低溫等特殊條件下才能保持量子特性。

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)運(yùn)用一系列新技術(shù)，首次在室溫大氣條件下實(shí)現(xiàn)了基于固態(tài)自旋體系的可編程量子處理器。國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《npj量子信息》日前發(fā)表了該成果。

杜江峰

量子計(jì)算利用量子疊加性，能夠有效處理經(jīng)典計(jì)算科學(xué)中許多難以解決的問(wèn)題。可編程量子計(jì)算是量子計(jì)算走向?qū)嵱没囊粋€(gè)重要條件。對(duì)于經(jīng)典計(jì)算而言，用戶通常使用同一種硬件架構(gòu)就可以靈活地完成多種多樣的計(jì)算任務(wù)。但是目前絕大多數(shù)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)僅僅被設(shè)計(jì)來(lái)運(yùn)行特定的量子算法，如果要執(zhí)行新的量子算法，往往需要重新配置量子計(jì)算的硬件?？删幊塘孔佑?jì)算概念的提出就是用來(lái)解決這一問(wèn)題，它能夠在不改變硬件的前提下，僅需要配置這些量子處理器的若干參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)各種不同的量子算法。近年來(lái)，在離子阱、超導(dǎo)體系和硅量子點(diǎn)體系中已陸續(xù)演示了可編程量子計(jì)算。但由于室溫固態(tài)體系中的量子比特通常面臨嘈雜的噪聲，其量子相干性非常容易受到破壞，因此在室溫固態(tài)體系中開(kāi)展可編程量子計(jì)算演示仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

杜江峰院士團(tuán)隊(duì)利用金剛石中的電子自旋與核自旋作為兩量子比特體系，首次實(shí)現(xiàn)了室溫固態(tài)自旋可編程量子處理器。他們利用綠色激光脈沖實(shí)現(xiàn)該量子處理器的初始化和讀出功能，并利用一系列高精度的微波與射頻脈沖序列來(lái)執(zhí)行量子算法。設(shè)計(jì)了一類普適量子線路，將一系列量子算法的執(zhí)行轉(zhuǎn)化成為相應(yīng)的微波和射頻脈沖的幅度和相位參數(shù)。用戶僅需要對(duì)這一系列參數(shù)進(jìn)行有效配置，就可以完成多種量子算法，避免了煩瑣而且昂貴的硬件重設(shè)。

在量子算法執(zhí)行過(guò)程中，研究人員結(jié)合前期發(fā)展的動(dòng)力學(xué)解耦技術(shù)有效抑制固體中嘈雜的噪聲帶來(lái)的不利影響，在該可編程量子處理器上成功運(yùn)行了Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，算法的成功率超過(guò)80%。預(yù)期在未來(lái)，通過(guò)提升該量子處理器的材料(金剛石)性能，譬如降低13C的含量，將有助于進(jìn)一步提升算法的成功率。該工作展示了可編程量子處理器的靈活性，向構(gòu)筑室溫固態(tài)量子計(jì)算邁出了重要一步。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室伍旸和王亞為該文并列第一作者。此項(xiàng)研究得到科技部、中科院和安徽省的資助。