近日,华南理工大学蒋尚达教授与国防科技大学周珅博士合作,利用脉冲电子顺磁共振技术,在氮内嵌富勒烯衍生物中,实现了不同频率跃迁的同时激发,利用该体系中由超精细耦合产生的三组互不干扰的峰,演示了量子容错性的Deutsch-Jozsa算法,同时展示了量子计算机的多任务处理性能。
研究者选取了两种N@C60衍生物,其S = 3/2的电子自旋具有四个磁子能级mS = +3/2、+1/2、–1/2、–3/2,电子自旋与氮-14核自旋的超精细相互作用,使每个磁子能级进一步发生了三重裂分(mI = +1、0、–1)。以mI 将所有的12个量子态分为3组,可用于3个独立的量子处理进程。为了同时实现多频率跃迁的精准操控,研究者一方面利用任意波形发生器实现了不同频率跃迁的同时操控,另一方面提出了一种全新的初始化方法解决了部分跃迁峰重叠的问题,从而实现了对各个能级的任意操控。
研究者首先演示了Deutsch-Jozsa算法的量子纠错演示。Deutsch-Jozsa算法用于判断一个未知函数是平衡型还是常数型。在并行计算的过程中,两个超精细进程对相同的问题进行求解。当因退相干或相位漂移等原因导致某个独立进程出错时,两个超精细进程将给出不同的运算结果,使错误能够被及时被发现和纠正,进而实现量子计算的容错性。在此研究者对可能的四种量子逻辑门进行了正确概率分析,并演示了需要舍弃最终结果的情况,体现了量子纠错对量子计算的重要意义。
此外,多个超精细进程也可同步执行不同的量子逻辑运算,研究者以两种量子逻辑门控验证了多进程的独立性与可用性。研究者可以任意改变两个逻辑门中一个的速度和方向,而另一个不会受到影响。未来,结合多个超精细进程间的自旋操纵,人们还可以完成更复杂的量子容错和并行计算任务。分子基量子比特作为量子比特的一个优良载体,目前在弛豫时间,可拓展性等领域都取得了长足的进步,这篇文章展现了分子中常见的超精细相互作用对量子信息处理的重要作用,分子基量子比特在未来将展现出更大的潜力。
Multiprocessing Quantum Computing through Hyperfine Couplings in Endohedral Fullerene Derivatives
Peng-Xiang Fu, Shen Zhou, Zheng Liu, Cong-Hui Wu, Yu-Hui Fang, Zhi-Rong Wu, Xing-Quan Tao, Jia-Yue Yuan, Ye-Xin Wang, Song Gao, Shang-Da Jiang
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202212939