Solid-state quantum memory using the 31P nuclear spin

Solid-state quantum memory using the 31P nuclear spin

John J. L. Morton1,2, Alexei M. Tyryshkin3, Richard M. Brown1, Shyam Shankar3, Brendon W. Lovett1, Arzhang Ardavan2, Thomas Schenkel4, Eugene E. Haller4,5, Joel W. Ager4 & S. A. Lyon3


Department of Materials, Oxford University, Oxford OX1 3PH, UK
CAESR, Clarendon Laboratory, Department of Physics, Oxford University, Oxford OX1 3PU, UK
Department of Electrical Engineering, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, USA
Lawrence Berkeley National Laboratory, 1 Cyclotron Road, Berkeley, California 94720, USA
Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA

Correspondence to: John J. L. Morton1,2 Correspondence and requests for materials should be addressed to J.J.L.M. (Email: john.morton@materials.ox.ac.uk).

The transfer of information between different physical forms—for example processing entities and memory—is a central theme in communication and computation. This is crucial in quantum computation1, where great effort2 must be taken to protect the integrity of a fragile quantum bit (qubit). However, transfer of quantum information is particularly challenging, as the process must remain coherent at all times to preserve the quantum nature of the information3. Here we demonstrate the coherent transfer of a superposition state in an electron-spin 'processing' qubit to a nuclear-spin 'memory' qubit, using a combination of microwave and radio-frequency pulses applied to 31P donors in an isotopically pure 28Si crystal4, 5. The state is left in the nuclear spin on a timescale that is long compared with the electron decoherence time, and is then coherently transferred back to the electron spin, thus demonstrating the 31P nuclear spin as a solid-state quantum memory. The overall store–readout fidelity is about 90 per cent, with the loss attributed to imperfect rotations, and can be improved through the use of composite pulses6. The coherence lifetime of the quantum memory element at 5.5 K exceeds 1 s.

《自然》：混合存储方法解决量子计算核心问题



一个国际科学家小组成功完成了对量子计算机存储装置的小型化——将信息存储在原子核内。这一突破成为实现量子计算机的关键一步。相关论文发表于10月23日的《自然》（Nature）杂志上。

在量子理论的世界里，像原子这样的物体可以同时处于多种状态，即它们理论上可以同时位于两个不同位置或者具有多种看起来互斥的属性。量子计算被视为计算领域的“圣杯”，因为在量子计算中，每个单独的信息位，或者叫‘比特’，可以同时存有不止一个数值，而目前的技术中，每个‘比特’只能存一个或0或1的数值。量子计算将带来空前的计算能力，从而将极大地拓展计算机的能力范围。

问题是，如何在嘈杂的环境中隔离一个量子比特来保护这一精密的量子信息，同时还要能够让这个量子比特与外界互动从而可以操作和测量这个量子比特位？

该研究小组由英国牛津大学、美国普林斯顿大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家和工程师组成，研究人员设计了一个混合系统，该系统选用掺有磷原子的硅晶体，利用原子的原子核和电子实现量子信息存储。原子核和电子都将作为一个可以记录量子信息的小型磁性物质，不过在晶体中，电子比原子核大1百万倍，其磁场也要强上1千倍，这使得电子更适合用来进行操作和测量，但是用来存贮信息不是很好，因为存储的信息会迅速消失。这时就显示出了用原子核作为量子比特的意义——当电子上记录的信息可存储时，这些信息将被转移到原子核上从而得以保存更长的时间。

伯克利小组将富含28Si同位素的硅“培育”成为大型晶体，并保持其不受污染、绝对纯净，令实验取得了成功。

论文主要作者、牛津大学圣约翰学院研究员John Morton说：“电子就像原子核和外界的中间人一样，给了我们一个两全其美的办法——利用电子实现对量子信息的快速处理，同时利用原子核实现对量子信息的长期保存。”

关键在于，在原子核存储的信息有1.75秒的生命周期，超过了最近计算出的基于硅的量子计算的时间阀值，只要时间长于计算出的时间值，纠错技术就能够将数据保存任意长的时间。如果不采用这一技术的话，先前研究人员最长只能将基于硅的量子信息保存几十毫秒。

普林斯顿研究小组领导者Steve Lyon说，“先前没有人真正知道在这个系统中原子核到底能保存量子信息多长时间。有了伯克利国家实验室提供的晶体和非常仔细的测量，我们很高兴地看到存储时间超过了门限值。”

科学家正在研究很多不同的构建量子计算机的方法，不过此次研究的方法有一个很大的优势——它是基于硅技术的，这使得它更易与当代的计算机相兼容。（转载于科学网）