澳大利亚新南威尔士大学的工程师团队已经展示了一个基于单个原子核的量子比特，预示着未来超级强大的量子计算机中的数据处理能力会有大幅度的提升。
量子比特是量子计算机的构建基础，在检索越来越庞大的数据库、破解现代加密术，以及模拟生物分子和药品等原子级系统时，能够提供巨大的优势。
4月18日发表在《自然》杂志上的这项成果，描述了如何利用原子核的磁自旋来储存和读取信息，这让我们距离量子计算机又近了一步。
澳大利亚新南威尔士大学的科学家，在单个原子核的核自旋中“写入”了量子信息，然后再“读取”出来，准确率高达99.8%。从左到右依次是：科学教授安德鲁·德鲁拉克、博士研究生杰里德·普拉和助理教授安德里亚·莫雷洛。图片来源：新南威尔士大学
新南威尔士大学电子工程及通信学院的助理教授安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）说：“我们采用了磁共振技术来实时控制和读出单个原子核的自旋，这种技术通常都被应用在化学分析和MRI扫描上。”
磷原子核具有极其微弱的磁性，能够指向两个方向，要么向“上”，要么向“下”。在古怪的量子世界里，这个磁场能够同时处于这两种状态——这个特性被称为量子态叠加。
这两个方向等同于二进制代码中的“0”和“1”，现有的传统计算机中采用的就是这种二进制代码。在这项实验中，研究人员控制了原子核的方向，相当于往它的自旋中“写入”了一个值，然后又“读取”了出来——把这个原子核变成了一个能够行使功能的量子比特。
新南威尔士大学的科学教授安德鲁·德鲁拉克（Andrew Dzurak）说：“我们的读取准确率达到了99.8%，创下了固态器件中量子比特读取准确率的新记录。”德鲁拉克还是澳大利亚国家制造研究所的所长，实验中用到的设备就是在那里制造出来的。
这些科学家制造的核自旋量子比特的准确率，与当今世界上最好的量子比特不相上下——后者的基础是被电磁场囚禁在真空室内的单个原子。这种“离子阱”技术的突破，在2012年获得了诺贝尔物理学奖。
“我们的核自旋量子比特有着类似的准确率，但它不需要真空室——它可以安置在硅芯片上，可以用导线连接，可以像普通的集成电路一样用电来操作，”莫雷洛说，“硅是微电子工业中最主要的原料，这意味着我们的量子比特与现有的工业技术更兼容，也更容易实现规模化。”
莫雷洛的博士研究生杰里德·普拉（Jarryd Pla）是这项实验的第一作者，与他共同完成这项研究的团队则是由德鲁拉克和澳大利亚墨尔本大学的戴维·贾米森（David Jamieson）教授共同领导的。莫雷洛、德鲁拉克和贾米森都是澳大利亚研究理事会（ARC）量子计算及通讯技术卓越中心的项目负责人。
2012年9月，同一个研究团队在《自然》杂志上报告，他们在嵌入硅片的一个磷原子上的一个电子中首次实现了能够发挥功能的量子比特，在这个电子的自旋中“写入”了信息，然后又将自旋状态“读取”出来。
而最新的成果是，这个团队深入到了原子结构的更深层，操控并测量了原子核的自旋。原子核包含着原子的绝大多数质量，但大小只有原子直径的大约百万分之一。
“这意味着，它在测量上更具挑战性，但它对来自外界的干扰几乎完全免疫，这一点使它成为了量子比特中的一个特例，”普拉说，“我们的核自旋量子比特能够更长久地储存信息，准确度也更高。一旦我们把许多这样的量子比特结合在一起，就将大大增强我们执行复杂量子运算的能力。”
电子自旋量子比特在未来的量子计算机中很可能主要会起到“处理器”的作用，与其他电子配合来执行运算。但这些研究者说，核自旋量子比特也可以整合进来，提供有用的内存功能，或者在电子量子比特之间帮助执行两位逻辑门运算。
演示量子内存和两位逻辑门，将是新南威尔士大学这个团队近期主要的研究目标。他们还将探索种种方法，通过换用更纯净的硅晶体，来进一步提高他们的核自旋和电子自旋量子比特的准确率。
信息来源：EurekAlert!