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NV色心量子计算发展背景

NV色心

2020/12/02

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N（N的两种同位素¹⁴N和¹⁵N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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