通过光进行电子的环形移动：基于几何的量子装置

传统电子上的比特位是经典的二进制的1或0状态存在，而更为丰富的量子位资源，或由向量表示的'量子位'，指1和0状态同时联合。为了完全实现一个量子位，有必要控制这种量子位矢量的方向，这通常是使用微调和噪声隔离程序进行的。

　　在芝加哥大学的分子工程学院和康斯坦茨大学的研究人员已经证明，能产生量子逻辑运算或量子比特位循环，这是令人惊讶的发现，在本质上是对噪声的弹性以及对变化的强度或持续时间的控制。他们的成就是基于被称为贝里相位几何的概念，并完全是通过光学手段在钻石中的单一电子自旋实现。

　　他们的研究发表在《自然光子学》2016年2月15日的网络版，并将在三月份刊印。 “特别是与传统的电子相比较，我们倾向于认为量子操作是很脆弱的且容易受到噪音影响的，” 领导这项研究的大卫·奥沙隆提到，他也是阿贡国家实验室分子工程教授和资深科学家。 “相比之下，我们的做法显示出了令人难以置信的抵御外部影响和满足了任何实际量子技术的关键要求。”

　　当一个量子力学的对象，如电子，沿一些环路循环，它将会保留对所经过路径的记忆即贝里相位。为了更好地理解这一概念，傅科摆作为大多数科技馆都有的仪器可以帮助我们直观理解这一概念。钟摆，像那些落地座钟一样，通常在一个固定的平面内来回振荡。然而，一个傅科摆在一天的过程中由于地球的旋转而在平面上来回摆动，进而敲在一系列环绕摆放的针脚上。

　　所敲引脚的数量是钟摆在振荡平面上总角量，从而获得几何相位。从本质上讲，由于地球的旋转沿着一个特定的封闭路径，即其纬线圈，这种移动直接关系到地球表面摆的位置。而该角移取决于特定路径，奥沙隆说到，它不依赖于地球的旋转速度或摆的振荡频率。

　　“同样，贝里相位是量子系统内部状态的类似路径相关的旋转，它显示出了在量子信息处理中可作为一个强大的操纵量子比特状态的一种有前景的手段，”他说。

　　在这个实验中，研究人员操纵的量子态的贝里相位是在氮-空缺（NV）中心内，是金刚石中原子尺度的缺陷。在过去的十年半的时间里，电子自旋态作为一个潜在的量子比特已经获得了人们极大的兴趣。在他们的实验中，小组成员开发了一种通过改变所施加的激光来绘制此缺陷旋路径的方法。为了证明贝里相位，他们追踪类似于橘子片的量子空间的所有的自旋态的可能的组合的循环。

　　“从本质上讲，像桔片的面积，我们画的数量决定了我们能够积累的贝里相位的量，”克里斯托弗·耶鲁说，他是奥沙隆实验室的博士后学者，也是该项目的共同主要作者之一。

　　这种使用激光来充分控制电子自旋的路径的方法是在对比更为通常的通过微波场控制所述NV中心旋转。这种方法可能在有一天对开发这些缺陷有用处，联接和控制完全是由光，其作为一种既处理又传输量子信息的方法。

　　使得其具有强大的量子逻辑操作能力的是贝里相位的一个重要特征，其能够抵御噪声源。为了测试贝里相位操作的鲁棒性，研究人员有意添加噪声到激光控制的路径中。其结果是，自旋态将在一个不稳定的方式沿着其预定路径行进。然而，只要在路径的总面积保持不变下，做了贝里相位的测定。

　　“特别的是，我们找到了贝里相位不敏感的波动激光的强度。这样的噪音通常是对量子调控有害的，”布赖恩·周说，他是研究小组的博士后学者，并且是共同的第一作者。

　　“想象一下你正在沿着湖边徒步旅行，即使你不断离开的路径去拍照，你最终完成环湖徒步旅行，”约瑟夫·F说，他也是共同的第一作者，现在是阿贡国家实验室研究人员说。 “你通过整个循环，无论你采取了离奇的路径，所以包围的区域几乎是保持相同的。”

　　钻石中的这些光控贝里相位提出了一种稳健和容错的量子信息处理的路线，圭多·布卡德指出，他是康斯坦茨大学的物理学教授，是该研究项目的理论合作者。

　　“虽然该技术的应用仍然是初期的，贝里相位有丰富的基本数学框架，使这项研究成为一个迷人区域，” 圭多·布卡德说。

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