阅读说明：本技术 一种可扩展的量子信息处理系统及方法 (Extensible quantum information processing system and method ) 是由 龚牧桑 宋婉露 刘海滨 蔡建明 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可扩展的量子信息处理系统及方法,涉及量子计算技术领域,结构包括：柱状的金刚石样品、光学系统,微波系统,磁场系统,碳纳米管双量子点样品,低温系统,数据采集系统,电操控系统。本发明提出一种碳纳米管-自旋的混合量子系统,在每组氮空位中心与量子点所在的区域施加有微波信号和磁场,每组的氮空位中心的电子与量子点之间存在磁偶极-偶极相互作用；通过对磁场和微波信号操控,使得两个相距微米量级的氮-空位中心之间可以通过碳纳米管的作用实现间接耦合,实现远距离的两个氮-空位中心之间的量子纠缠,从而提供一种可扩展的量子信息处理方法。(The invention discloses an extensible quantum information processing system and method, relating to the technical field of quantum computation, and the structure comprises: the device comprises a cylindrical diamond sample, an optical system, a microwave system, a magnetic field system, a carbon nano tube double quantum dot sample, a low-temperature system, a data acquisition system and an electric operating system. The invention provides a carbon nano tube-spinning mixed quantum system, wherein a microwave signal and a magnetic field are applied to a region where each group of nitrogen vacancy centers and quantum dots are located, and magnetic dipole-dipole interaction exists between electrons of each group of nitrogen vacancy centers and the quantum dots; through controlling the magnetic field and the microwave signal, the two nitrogen-vacancy centers which are separated by the micron order can realize indirect coupling through the action of the carbon nano tube, and the quantum entanglement between the two remote nitrogen-vacancy centers is realized, thereby providing the extensible quantum information processing method.)

一种可扩展的量子信息处理系统及方法

技术领域

本发明涉及量子纠缠与量子计算领域，更具体地，涉及一种可扩展的量子信息处理系统及方法。

背景技术

与经典计算机类似，量子计算机也存在着比特的概念——量子比特，经典比特存在两种状态即‘0’或‘1’，对于一个经典比特，它很确切的处于某个态，非‘0’即‘1’，但是量子比特则不一样，它处于叠加态，用量子力学的符号书写即为|Ψ>＝α|0>+β|1>，其中α与β是复数，且满足|α|²+|β|²＝1。因为量子比特处于叠加态，会受到时间以及环境的影响，对其进行多次测量得到的结果可能并不相同。

组装一台量子计算机需要找到合适的物质来充当量子比特，量子比特是量子信息与计算的载体，而退相干时间则被用来衡量量子比特保存信息的有效时间。目前有很多候选方案，如原子核自旋、电子自旋、离子阱、量子点、光腔、微波腔、超导等量子体系，但都各有优劣。由于大部分体系对环境要求较高，所以很难在实际应用中广泛应用。而金刚石氮-空位中心则不同，它在室温下纠缠度也可保存长达数秒，十分稳定，这种性质使得其非常适合用作量子比特，然而想要实现基于金刚石氮-空位中心的室温下的实用量子计算还需要解决量子比特的可扩展性难题，即构建量子比特之间的量子纠缠。对于两个相距较近的氮-空位中心，可以直接利用他们之间的偶极相互作用的实现量子纠缠，而对于长距离的氮-空位中心，由于电子之间的偶极相互作用太弱，无法产生有效的量子纠缠。如果要发展可扩展性量子计算，需要能够对不同氮-空位中心进行独立的操控，进而要求相邻氮-空位中心的距离不能太近，需在微米级别实现量子纠缠。就氮-空位中心本身的性质而言，在微米级别上已经无法通过偶极相互作用直接实现纠缠，只能通过其他手段辅助。

目前解决长距离氮-空位中心量子纠缠问题的主流思路是借助其他量子体系与氮-空位中心构成杂化量子系统。其中一种方法是使用光子腔增强氮-空位中心的光子发射速率，实现氮-空位中心之间的长距离纠缠。由于生长和刻蚀金刚石单晶薄膜较为困难，而且光腔的损耗也不容忽略，所以这种方法很难实现长距离的氮-空位中心纠缠；还有一种实现长距离氮-空位中心之间纠缠的方法是使用机械振子，通过机械振子的辅助，将两个相距较远的氮-空位中心耦合起来，但由于机械振子极易受热效应影响，故很难实现机械振子耦合两个相距较远的氮-空位中心。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决两个远距离金刚石氮-空位中心之间耦合很弱、难以产生量子纠缠的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种可扩展的量子信息处理系统，包括：多个量子信息处理单元；每个量子信息处理单元包括两个金刚石微柱、一个碳纳米管以及一个基底；

所述基底上沉积有门电路、源极以及漏极，所述门电路平铺于基底上，所述源极和漏极分别位于基底的两端，且源极和漏极的高度高于门电路；

所述碳纳米管放置于所述基底上，所述碳纳米管的两端置于基底两端的源极和漏极上，使得碳纳米管形成两端高、中间低的空间分布，通过控制门电路、源极以及漏极的电压，使得碳纳米管中形成两个量子点，一个量子点位于源极和门电路之间的碳纳米管，另一个量子点位于门电路和漏极之间的碳纳米管；

两个金刚石微柱分别位于所述两个量子点的正上方，每个金刚石微柱均含有氮空位中心，形成两组氮空位中心与量子点；

在每组氮空位中心与量子点所在的区域施加有微波信号和磁场，所述微波信号用于操控氮空位中心电子的状态，所述磁场用于使氮空位中心电子的能级产生塞曼***；每组的氮空位中心的电子与量子点之间存在磁偶极-偶极相互作用；通过对磁场和微波信号操控可使得两个金刚石微柱中的氮空位中心的电子通过纳米管中形成两个量子点实现间接耦合，进而实现两个氮空位中心电子的纠缠。

可选地，两个氮空位中心之间的电子纠缠强度与碳纳米管中的电流大小呈相反趋势，可通过控制门电路、源极以及漏极的电压控制碳纳米管中的电流以控制所述纠缠强度。

可选地，所述两个金刚石微柱位于一块平面金刚石衬底上，所述平面金刚石衬底的位置被固定在碳纳米管上方，其正面朝向碳纳米管，所述正面为其上方有金刚石微柱的一面。

可选地，所述两个量子点之间的距离为100纳米至20微米；

当两个氮空位中心的电子纠缠后，通过受控相位门将电子之间的纠缠转换成氮空位中心电子临近的两个氮核的纠缠，使得两个氮空位中心的纠缠状态保存更长的时间。

第二方面，本发明提供一种可扩展的量子信息处理方法，包括如下步骤：

通过基底使得碳纳米管形成两端高、中间低的空间分布，通过控制门电路、源极以及漏极的电压，使得碳纳米管中形成两个量子点，一个量子点位于源极和门电路之间的碳纳米管，另一个量子点位于门电路和漏极之间的碳纳米管；所述基底上沉积有门电路、源极以及漏极，所述门电路平铺于基底上，所述源极和漏极分别位于基底的两端，且源极和漏极的高度高于门电路；

控制两个金刚石微柱分别位于所述两个量子点的正上方，每个金刚石微柱均含有氮空位中心，形成两组氮空位中心与量子点；两个金刚石微柱、一个碳纳米管以及一个基底组成一个量子信息处理单元；

在每组氮空位中心与量子点所在的区域施加有微波信号和磁场，所述微波信号用于操控氮空位中心电子的状态，所述磁场用于使氮空位中心电子的能级产生塞曼***；每组的氮空位中心的电子与量子点之间存在磁偶极-偶极相互作用；通过对磁场和微波信号操控可使得两个金刚石微柱中的氮空位中心的电子通过纳米管中形成两个量子点实现间接耦合，进而实现两个氮空位中心电子的纠缠。

可选地，两个氮空位中心之间的电子纠缠强度与碳纳米管中的电流大小呈相反趋势，可通过控制门电路、源极以及漏极的电压控制碳纳米管中的电流以控制所述纠缠强度。

可选地，所述两个金刚石微柱位于一块平面金刚石衬底上，所述平面金刚石衬底的位置被固定在碳纳米管上方，其正面朝向碳纳米管，所述正面为其上方有金刚石微柱的一面。

可选地，所述两个量子点之间的距离为100纳米至20微米；

当两个氮空位中心的电子纠缠后，通过受控相位门将电子之间的纠缠转换成氮空位中心电子临近的两个氮核的纠缠，使得两个氮空位中心的纠缠状态保存更长的时间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种碳纳米管-自旋的混合量子系统，使得两个相距微米量级的氮-空位中心之间可以通过碳纳米管的作用实现间接耦合，实现远距离的两个氮-空位中心之间的量子纠缠，从而提供一种可扩展的量子信息处理方法。

本发明可以实现微米量级的两个氮-空位中心之间的量子纠缠，而且可以通过漏电流的大小来判断是否产生了纠缠以及产生纠缠的大小，从而可以避免使用纠缠目击或者量子态层析等复杂的操作技术来测量纠缠。

在本发明方法产生的两个远距离氮-空位中心之间的量子纠缠后，可以通过受控相位门将两个电子之间的纠缠转移到与氮-空位中心电子临近的氮核自旋之间。以本发明为基础，进一步可以构造一个氮-空位中心与碳纳米管双量子点阵列系统，可以实现二维的簇态。

附图说明

图1为本发明提供的金刚石中氮空位中心与碳纳米管双量子点构成的杂化量子系统的样品示意图；

图2为本发明提供的针对图1所述量子体系，数值模拟其在工作时各个量子态的概率、两个氮空位中心电子纠缠度、碳纳米管漏电流等随时间的变化图；

图3为本发明提供的针对图1所述量子体系，数值模拟其在工作时受到磁场噪声和能级偏差的影响图；

图4为本发明提供的针对图1所述方法进行扩展而成的二维点阵列系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明，设计了一种碳纳米管-自旋组成的混合量子系统，该系统包括：柱状的金刚石样品、光学系统，微波系统，磁场系统，碳纳米管双量子点样品，低温系统，数据采集系统，电操控系统。其中：

所述金刚石样品经过预设工艺加工，氮-空位中心在一块平面金刚石衬底上的两根相距几十微米(具体距离与双量子点系统中两个量子点位置有关)的柱状结构中，柱子的高度约500纳米，直径约100纳米；

所述光学系统将532nm(激光波长可以在400nm-600nm之间)的激光聚焦于金刚石柱顶部的氮-空位中心，并收集从氮-空位中心发出的荧光，通过分析收集得到的荧光可以得到氮-空位中心的性质；

所述的微波系统可以施加预定频率、预定时长、预定强度的微波信号于氮-空位中心，且微波的持续时间、频率和强度都可以由操控系统设置。

所述的磁场系统可以对氮-空位中心施加可调节磁场，磁场大小从0Gauss到1000Gauss。

所述的碳纳米管双量子点样品是经过特殊工艺加工，双量子点之间的距离为100纳米至20微米，与两个氮-空位中心的距离正好相对应，由固定装置固定于平台；碳纳米管双量子点系统是在基底上沉积源极、漏极和门电路电极，并且源极和漏极高度高于门电路(几十纳米)，将碳纳米管放置在该结构上，形成两端高，中间低的空间分布，通过控制源极、漏极、门电路电压，可以在碳纳米管中源极与门电路之间和门电路与漏极之间的位置形成量子点，故称为双量子点系统。

所述的低温系统将金刚石样品与碳纳米管双量子点样品包含其中，使得样品处于一个可控的低温环境中；

所述的数据采集系统与上述光学系统和操控系统连接，在接到操控系统的命令后从光学系统采集荧光信号并反馈给操控系统；

所述操控系统控制源极、漏极、门电路施加的电压，并且操控光学系统、微波系统、磁场系统以及数据采集系统。

按照本发明，提供了一种可以使得远距离(微米量级)的两个氮-空位中心产生纠缠的方法，该方法的核心思路为利用双量子点系统将两个氮-空位中心纠缠起来，测量通过碳纳米管的电流可以得到系统的纠缠情况。具体的，将金刚石氮-空位中心样品与碳纳米管双量子点样品相对放置，相距约5至10纳米(如图1所示)。

给双量子点系统加上电压，由于库伦阻塞机制的存在，电子从源极只能经过从(0,1)→(1,1)→(0,2)→(0,1)的循环才能到达漏极，这里(n_L，n_R)表示左右两边量子点中的电子占据个数。当双量子点系统处于(1,1)这种状态时，根据量子力学原理两个纠缠的电子可以形成自旋三重态

和|T_>＝|↓>_L|↓>_R，以及自旋单态

|↑>、|↓>分别表示电子的自旋向上以及自旋向下状态，下标L、R用来标记左、右两边的氮-空位中心。由于泡利不相容原理，只有量子态处于自旋单态时的电子才能够从左侧量子点转移至右侧量子点，相应地，系统也就从(1,1)转变成(0,2)状态，即电子可以正常的从碳纳米管内通过，形成电流。

当金刚石氮-空位中心相互纠缠的时候，两个氮-空位中心的电子构成的纠缠态记作：

和

|0>、|1>分别表示氮-空位中心的电子自旋处于|m_s＝+1>和|m_s＝-1>的状态，m_S代表磁量子数，下标L、R用来区分左、右的氮-空位中心。

在外加电场，磁场和微波场的控制下，氮空位中心的电子与量子点之间存在磁偶极-偶极相互作用；通过对磁场和微波信号操控，使得两个相距微米量级的氮-空位中心之间可以通过碳纳米管的作用实现间接耦合，实现远距离的两个氮-空位中心之间的量子纠缠。双量子点与氮-空位中心耦合系统只有处于|T₀>|Φ^->状态时，双量子点的状态才不会变化到自旋单态|S>上，此时会出现碳纳米管中的电子阻塞，没有电流通过，通过建模分析模拟的漏电流与氮-空位中心之间电子纠缠的关系如图2所示，在电子间的偶极相互作用下，一定时间后通过碳纳米管的电流趋近于0，此时两个氮-空位色心的电子被制备到纠缠态|Φ^->，氮-空位中心处于最大纠缠态。从而实现了两个远距离氮-空位中心之间的量子纠缠。

利用本发明方法产生的两个远距离氮-空位中心之间的量子纠缠还可以抵抗一定的外界磁场噪声和电场噪声，数值模拟结果如图3所示。其中图3中(a)中展示了两个氮-空位中心自旋在演化过程中的纠缠度随时间的变化，这里增加了一个高斯型分布的磁噪声，图中的v表示噪声的标准偏差大小。从图中数值计算的结果可以看出，最后两个氮-空位中心自旋最终形成的纠缠大小虽然会受到噪声的影响，但仍能达到一个比较高的纠缠度。图3中(b)进一步展示了纠缠度受能级偏差(从-1μeV到1μeV)的影响情况，左图是未优化的结果，右图是模拟改变施加在源极、漏极、门电路的电压大小及作用时间对电子输运速率进行优化的结果。对比可知，通过此优化控制，可以进一步消除由能级偏差对纠缠度带来的影响。

利用本发明方法产生的两个远距离氮-空位中心之间电子的纠缠后，可以通过受控相位门将两个电子之间的纠缠转转换成与氮-空位中心电子临近的两个氮核的纠缠。受控相位门是一个关于两量子比特的操作，其中一个比特为受控比特，另一个为目标比特。此操作会根据受控比特的状态而选择是否在目标比特产生一个相对相位。在本杂化量子系统中，可通过如下做法构造一个作用在两个氮核上的等效受控相位门：(1)对左侧氮-空位中心中的电子施加一个x方向上的π/4旋转门；(2)整个系统在电子-核超精细相互下演化一段时间t＝π/2A_||(A_||表示平行方向上的超精细耦合强度)；(3)在两个氮-空位中心电子上同时施加一个x方向上的π/4旋转门；(4)对两个氮-空位中心电子在{|+>，|->}基矢上做联合测量。具体地，这里所说的等效受控相位门是一种实际的门操作，只是通过一系列操作得到的间接门操作，在效果上跟受控相位门等同。

以本发明为基础，可以构造一个氮-空位中心与碳纳米管双量子点阵列系统，如图4所示。图4中(a)是一维情况下的氮-空位中心与碳纳米管双量子点排列的示意图，由多个图1所示的结构首尾相连排列。在图4中(b)中，上面图展示了通过受控相位操作将氮-空位中心的电子纠缠转移到相应的核自旋上，下面图展示了通过旋转交换相邻的两个氮-空位中心纳米柱的位置来实现此相邻的两个核自旋的受控相位操作。通过这一系列的受控相位操控，于是可形成一维的簇态。图4中(c)中，展示了将多个一维的氮-空位中心与碳纳米管双量子点系统排列，不同列之间再用此结果相连，通过此精巧排列和受控相位操控，可以实现二维的簇态。可以为进行以测量为基础的量子计算奠定基础。

实施例1

如图1所示，装置主体为基底，碳纳米管，金刚石微柱以及电极组成，最上层的金刚石微柱可以通过刻蚀的方式从一整块平整的金刚石样品制备出来，首先在金刚石基底上旋涂一层均匀的光刻胶，通过电子束刻蚀的方法在表面刻蚀出一系列的凹槽，后在表面沉积一层金，通过光刻胶剥离剂处理表面，然后通过反应离子刻蚀技术处理表面，清洗后即可得到金刚石微柱。

将基底、碳纳米管、金刚石微柱的样品和后续操作所需要的设备置于低温系统中。控制制备的金刚石微柱样品，使其平行地贴近放置好碳纳米管的基底，将弯曲的碳纳米管置于绝缘基板上并与源极和漏极接触，绝缘基板中嵌入了两个个门电极，如图1所示。V_SD表示源极与漏极的电压，V_G表示门电压，施加预定的电压可以在上方的碳纳米管内形成双量子点(double quantum dot)。Γ_in和Γ_out电路部分用于调节双量子点中电子从状态(0,1)到(1,1)以及从状态(0,2)到(0,1)的迁移速率，J电路部分用于调节双量子点系统中两个量子点之间的耦合强度。

对该模型进行模拟分析，可以得到其各个量子态的概率、纠缠度、漏电流随时间的变化如图2所示，按照理论分析当漏电流趋向0的时候，纠缠态就已经制备成功。

实施例2

碳纳米管双量子点系统与金刚石氮-空位中心的位置相对，间距约6纳米，碳纳米管半径为1纳米，其电子之间存在偶极相互作用。处于(1,1)状态的双量子点与氮-空位中心的电子的耦合哈密顿量可以写作：

这里，

和

分别表示氮-空位中心电子自旋和量子点电子自旋-轨道的泡利矢量；

其中ξ＝g_||sin²α+g_⊥cos²α,η＝(g_||-g_⊥)sinαcosα；Ω_j表示外部驱动的强度；ε＝μ_BB_z/2，

其中B_z表示外加磁场大小，g_s表示电子的朗德g因子，r_j表示第j个氮-空位中心的电子与第j个量子点电子之间的距离。在这里可以假设r_L＝r_R,即左右两边的氮-空位中心的电子与量子点电子之间的距离相等。

氮-空位中心与双量子点系统中电子的状态用密度矩阵算符

表示，随时间变化的规律可以用量子输运主方程来描述，即：

其中

为Lindblad超算子，可表示如下：

产生算符

刻画电子从状态(0,1)到(1,1)的过程，Γ_in表示双量子点中的电子从状态(0,1)到(1,1)的速率；湮灭算符

刻画电子从状态(0,2)到(0,1)的过程，Γ_out表示双量子点中的电子从状态(0,2)到(0,1)的速率；而{|ψ>}是一组任意正交完备的描述电子自旋状态的基矢。为了研究此杂化量子系统中的态的演化过程，这里假设整个系统初始处于一个完全混合态。双量子点的动力学行为可以用漏电流来刻画，即其中e表示电子的电荷，而金刚石氮-空位中心的电子纠缠状态用纠缠度量(concurrence)来刻画。通过数值计算得到的结果展示在图2中，计算过程中的参数取值分别为：

Γ_in＝Γ_out＝0.5GHZ，g_||＝30，g_⊥＝1，B_z＝5mT，α＝π/36，r_L＝r_R＝6nm。

图2中(a)展示了双量子点系统中的漏电流以及各种量子态随着时间变化的结果，从图中可以看出，经过演化双量子点系统的状态最终会到|T₀>态，而此时由于电子阻塞效应，漏电流也会逐渐衰减至0。图2中(b)展示了金刚石氮-空位中心的电子之间的量子态以及纠缠大小随着时间变化的结果，从图中可以看出，经过演化氮-空位中心的电子状态最终会到|Φ^->态，而此时氮-空位中心的电子之间处于最大纠缠态。结合图2中的(a)和(b)两图可以看出，氮-空位中心的电子之间纠缠大小与双量子点中的漏电流变化趋势刚好相反，因此可以通过测量漏电流的大小来判断氮-空位中心的电子之间纠缠大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。