哈佛Lukin课题组：基于机械介导相互作用的可编程量子处理器研究取得重要进展
哈佛Lukin课题组：基于机械介导相互作用的可编程量子处理器研究取得重要进展
固态自旋量子比特是量子信息处理的有前景的候选者，但目前很难在大型多量子比特系统中实现受控的相互作用和纠缠。近日，哈佛大学、麻省理工学院、布伦瑞克工业大学、莱比锡大学的科研人员在《Physical Review Letters》期刊上发表重要研究成果，提出了一种基于机械介导相互作用和传输的可编程量子处理器方案，为实现大规模量子信息处理提供了新的技术路径。
6月25日，哈佛大学、麻省理工学院、布伦瑞克工业大学、莱比锡大学的科研人员在《Physical Review Letters》期刊上发表题为“Toward Programmable Quantum Processors Based on Spin Qubits with Mechanically Mediated Interactions and Transport”（采用机械介导的相互作用和传输，通往基于自旋量子比特的可编程量子处理器）的研究论文，哈佛大学博士生Frankie Fung为论文第一作者，哈佛大学教授Mikhail D. Lukin为论文通讯作者。
图1：包含自旋量子比特的纳米柱阵列内的可编程相互作用概念图
在本文中，研究人员描述了一种面向多量子比特自旋系统的可编程控制方法，其中金刚石纳米柱中的各个氮空位（NV）色心耦合到用作扫描探针的磁性功能化氮化硅机械谐振器。量子比特可以通过与纳米机械谐振器的相互作用而纠缠，而可编程连接则通过纳米柱中量子比特的机械传输实现。为了证明这种方法的可行性，研究人员表征了放置在纳米梁谐振器上的微磁体的机械性质和周围的磁场梯度。利用核自旋内存展示了在传输微磁体附近的自旋量子比特的相干操控，并使用NV色心检测来自振荡微磁体的时变磁场，提取7.7(9) Hz的自旋机械耦合。通过改进装置，可以达到更高的协同性，为利用自旋量子比特进行可扩展的量子信息处理提供了新途径。
本研究采用了先进的实验方法来实现和测量纳米机械共振器与NV色心自旋之间的耦合。首先，研究团队利用扫描探针构型，在纳米梁的中心放置了一个微磁体，并将包含单个NV色心的金刚石纳米柱定位在其上方。纳米柱的顶部小面积设计提高了光收集效率，并允许实现纳米尺度的磁体-NV色心距离，从而达到所需的高磁场梯度。
为了精确测量磁场分布，实验中使用了三轴压电纳米定位器，通过光学测量电子自旋共振（ESR）频率，计算沿NV色心量子化轴的磁场分布。此测量有助于确定微磁体的实际磁场梯度，为后续的耦合强度计算提供了依据。
在传输过程中，为了保持自旋相干性，研究团队设计了一个实验，移动微磁体并观察其对NV色心的影响。实验中利用脉冲ESR测量和NV色心的固有N-15核自旋作为量子内存，证明了即使在显著的磁场变化下，自旋相干性依然能够保持。这个实验展示了机械传输过程中，自旋信息可以得到有效保护，验证了其可行性。
最后，研究团队通过激励纳米梁并利用NV色心检测其机械运动，量化了单声子自旋机械耦合强度。实验采用的Hahn回波脉冲序列和干涉测量方法，精确表征了纳米梁的机械频率和品质因子，展示了其在量子信息处理中的潜力。
研究结果显示，采用纳米机械共振器与NV色心自旋之间的耦合，可以实现高效的自旋相干性保持和强耦合。通过实验验证，研究团队成功展示了在传输过程中，自旋相干性能够保持不变，并且在较高品质因子下，机械共振器的频率和耦合强度均达到预期水平。
具体而言，实验中测得的磁场梯度超过1.5×10^4 T/m，对应的单声子自旋机械耦合强度约为7.7 Hz。这一耦合强度在实现高协同操作方面具有重要意义，为未来大规模量子信息处理提供了可能。此外，实验还展示了通过机械运动实现自旋量子比特的非局部连接，为量子处理器的可编程互连提供了新思路。
研究团队指出，通过进一步的技术改进，如提升纳米柱与微磁体之间的耦合精度和优化机械共振器的品质因子，可以实现更强的耦合和更长的相干时间，从而推动基于自旋量子比特的可扩展量子信息处理技术的发展。
F. Fung等人的研究在量子信息处理领域迈出了重要一步，展示了通过纳米机械共振器实现自旋量子比特之间的强耦合和可编程互连的可行性。该研究不仅提供了一种新颖的架构，还通过实验验证了其实际操作中的有效性和潜力。
未来的研究方向包括进一步提升系统的耦合强度和相干时间，以及探索更大规模量子比特阵列的可编程互连。此研究为基于自旋量子比特的量子处理器的发展提供了新的思路和技术基础，具有重要的科学意义和应用前景。
总之，这项研究通过创新的理论和实验方法，为实现可扩展的量子信息处理器提供了有力支持。通过进一步的技术优化和实验验证，基于自旋量子比特的量子信息处理有望在未来取得更大的突破，为量子计算和信息处理领域带来革命性的进展。
图4：纳米梁的机械运动