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NV色心 量子计算发展背景

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  • 量子计算发展背景

    信息化时代,计算机已是人们生活中不可或缺的一部分,为人们的日常生活和工作带来了诸多便利。然而诞生于1946年的第一台通用电子计算机ENIAC体积有170平方米,重量达30吨,装有17468个电子管,耗电量和发热量大,每秒仅能计算5000次加法或400次乘法,并且时常因过热和电子管故障而停止工作,但其数学能力和通用可编程能力仍具有划时代意义。随着集成电路的出现和迅猛发展,计算机小型化成为可能。1965年,戈登·摩尔(GordonMoore)提出了著名的摩尔定律:集成芯片上的晶体管数目,约每隔18个月就会增加一倍,相应的性能也会提升一倍。但随着集成度的不断提升,纳米尺度已成为集成电路不可避免需要考虑的情况,量子效应将出现并逐渐占据主导地位。经典计算机的性能提升将会遇到瓶颈,但是人类的需求却是无止境的。

    1982年,理查德·菲利普斯·费曼(Richard Philips Feynmann)在一个著名的演讲中提出经典计算机很难模拟量子系统演化,因为庞大的希尔伯特空间意味着数据量的庞大,而利用量子体系可以实现有效的模拟的想法。而随着一些量子算法的诞生,对于某些复杂甚至可能超过通用计算机的计算极限的问题,量子计算有着明显的优势。量子计算拥有着巨大的应用前景,将在密码分析、金融投资、气象预报、材料设计、石油勘探、药物设计、物流优化等领域带来前所未有的变革。

    量子计算实现的DiVincenzo准则


    2000年,戴维·狄文森佐(DavidP. DiVincenzo)提出了实现量子计算的5条标准以及实现量子计算机之间通信的两条标准,这里我们只介绍实现量子计算的五条标准,内容如下:

    1) 可扩展的物理体系,并且具有良好定义的量子比特。例如电子自旋。

    2) 将量子比特初始化为特定的态。例如|000…〉态。

    3) 一组普适的量子逻辑门。例如两比特受控非门和单比特量子逻辑门。

    4) 长的相干时间长,即相干时间必须远超于每个量子逻辑门的时间。

    5) 量子比特的测量能力。

    金刚石NV色心量子计算体系

    金刚石NV色心是金刚石晶体中的一种缺陷,由一个取代碳原子的氮原子和相邻一个空位(碳原子缺失)组成。NV色心有六个电子,两个来自氮原子,三个来自与空位相邻的碳原子,另外一个是俘获的(来自施主杂质的)电子。金刚石NV色心是一种符合DiVincenzo标准的量子计算体系。金刚石NV色心一般存在两种电荷状态,一种是电中性NV0,另一种带一个负电荷NV-,量子计算中用到的体系一般为后一种。如无特殊说明,本文中提到的金刚石NV色心均为NV-NV色心的基态可以等效为自旋为1的电子自旋,其中的两个自旋能级可以用来编码量子比特。结合NN的两种同位素14N15N均具有核自旋)以及相邻的13C核自旋,每个NV色心可以看成由数个量子比特组成的量子寄存器。不同的NV色心可以通过磁或光子的方式耦合,从而形成用以量子计算的可扩展系统。通过12C同位素富集,NV色心中量子比特可具有长的相干时间。可以通过施加激光实现对NV色心电子自旋的初始化和读出,通过施加微波和射频脉冲实现量子逻辑门。目前NV色心自旋体系的单比特量子逻辑门的保真度可达99.995 %,两比特量子逻辑门的保真度可达99.2 %
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