量子计算是一个依赖于量子力学原理来进行计算的领域，它有可能能执行对传统计算机来说过于复杂的任务，并且可以高速的完成。正因如此，它在某些方面已成为科学和工程的最新前沿。

为了达到量子计算机能够满足其预期性能潜力的地步，科学家需要开发大规模的量子处理器和量子存储器。能精确控制量子比特对于做到这一点是至关重要的，但控制量子比特的方法对于有高精度要求的大规模高密度布线存在局限性。

不过现在，来自日本横滨国立大学的研究人员找到了一种不受先前技术限制的精确控制量子比特的方法。他们的研究成果已于2022年7月26日发表在《自然·光子学》上。

该论文通讯作者、高等科学研究所量子信息研究中心主任、横滨国立大学工程学研究生院的物理系教授Hideo Kosaka说：“微波通常被用于单独的量子控制，但需要单独对微波线路进行布线。另一方面，可以用光在局部但不精确地操纵量子比特。”

Kosaka和其他研究人员通过结合微波操纵和原子/分子跃迁频率的局部光学偏移来操纵电子自旋，这一过程被称为斯塔克偏移，并利用金刚石中的氮空位色心来控制量子比特。换句话说，他们能够将依赖激光和微波的光学方法结合起来，从而克服之前的限制。

研究人员还能够证明，这种对电子自旋的控制可以反过来控制氮空位色心中氮原子的核自旋以及电子和核自旋之间的相互作用。这是非常重要的，因为它可以在没有布线问题的情况下精确控制量子比特。

此外，研究人员能够在电子和核自旋之间产生量子纠缠，实现制备光子态并转移到核自旋态上。这将允许与光子间的量子比特连接，并最终只需要更少的计算能力，且能通过量子隐形传态原理将信息传递给量子处理器和量子存储器。

新方法满足所有的DiVincenzo标准，这是量子计算机运行所需的标准，包括可扩展性、初始化、测量、通用门和长相干性。它还可以应用于斯塔克偏移之外的其他磁场方案，能在这些场景中单独操纵量子比特，并且可以防止常见类型的计算错误，例如门错误或环境噪声。

研究人员称，这一进步是朝着更大规模量子计算迈出的新一步。Hideo Kosaka说：“通过进一步提高单个量子运算和纠缠运算的分辨率，可以实现大规模集成的金刚石量子计算机、量子存储和量子传感器。它还将提高远距离量子通信和分布式量子计算机网络或量子互联网量子中继网络的数据传输能力。”(编译:Qtech)