利用光谱孔实现固态量子计算

在称为量子比特或 qubits 的两态系统上存储信息的量子计算机必须能够寻址和操纵单个 qubits，实现 qubit 对之间的相干相互作用，并读出 qubit 的值。1,2 当前寻址 qubits 的方法分为空间方法（如将激光束聚焦于单个 qubit 3,4,5）和光谱方法（如利用 NMR 寻址分子中的核自旋 6,7）。空间可寻址的 qubit 密度受光波长限制，光谱可寻址的 qubit 数量受自旋线宽限制。在此，我们提出一种结合空间与光谱选择性的 qubit 寻址方法。其结果是给出了一种量子计算设计，其量子信息存储与处理密度比离子阱或 NMR 所能提供的高出多个数量级。具体而言，该方法利用光谱烧孔固体中可光谱分辨的原子系综。量子耦合由强原子-腔相互作用提供。以含氮-空位色心的金刚石薄片为例，我们给出了在单点实现多达 300 个耦合 qubits 的显式模型。我们展示了约 100 个操作可并行进行，在退相干前可实现近 40,000 次操作。