科学家使用反馈控制技术来稳定量子比特
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导言
最近连续发了几篇文章介绍量子计算和量子计算机。量子计算机有着相对于传统计算机超快速的优势。但是，他们使用一种所谓叠加的特性，让量子粒子和我们的直觉现象不同，在某种意义上，同时具有多于一种物理状态。
但是叠加是脆弱的，寻找保持叠加的途径是开发大规模，普通量子计算机的主要障碍。在最近的自然杂志上，麻省理工学院的研究人员，描述了一种新的策略，在一种人造钻石制造的量子设备上，保持叠加。这个工作的意义是向可信赖的量子计算机迈出了可靠的一步。
使用反馈控制来保持量子叠加
在许多工程领域，保持物理系统稳定性的最佳方式是反馈控制。你进行测量，目前的航班线路，或者引擎的温度，并且这个基础上设计一种控制信号，推进系回到最初的状态。
使用这种技术稳定量子系统的问题，是测量破坏了叠加。所以量子计算的研究人员，传统地的都是没有经过反馈的来做。
如何防止因为测量破坏叠加
麻省理工学院的核科学和工程系的助理教授Paola Cappellaro说，
“人们典型地使用开环控制，你可以首先决定如何控制系统，应用到控制器上，然后期望最佳，你对控制应用的系统知道的足够多，将完成你想象中应该做的。反馈应该更加健壮的，因为它允许你做一些错误的事。”
在自然杂志的论文上，Cappellaro，和她以前的博士研究生，Masashi Hirose，去年毕业，并且现在麦肯锡东京公司工作，一起描述了反馈控制系统，如何控制量子叠加，而并不需要测量。“并不是一个传统意义上控制器，来实现反馈，而我们需要一个量子控制器，”Cappellaro解释道。“因为控制器是量子的，我们并不需要测量来知道发生了什么。”
空缺表达
Cappellaro和Hirose的系统，使用钻石中一个称为氮空缺中心的地方。一个纯净的钻石由常规的晶格结构的碳原子组成。如果像人们希望的那样，一个碳核从晶格中遗失，这就是空缺。如果一个氮原子在晶格中取代碳原子，并且碰巧和空缺相近，这就是（NV）中心。
和每个NV中心相连接的是邻近原子中的一组电子，像所有的电子一样，具有一种自旋的属性，来描述他们的磁性方向。当在一个强磁场中，也就是说，永磁体放置在钻石上，NV中心的电子旋转可以上，下，或者两种的量子叠加。它可以代表一个量子位，或者“qubit”，和普通计算机比特在性能上不一样，不仅是0或者1，而是同时两种状态。
NV中心相对于其他的候选qubits具有几个优点。他们是一种固有的物理结构功能，所以分配复杂的硬件，俘获其他方法需要的离子或者原子。并且NV中心是自然光的发射器，让它相对简单地读取信息。实际上，由NV中心激发的光子，可能他们自己在叠加中，所以他们提供一种途径将移动量子信息。
局部控制
像电子一样，原子核也有自旋，Cappellaro和Hirose使用氮核的自旋状态，控制NV中心的电子自旋。首先，一定量的微波将电子自旋到叠加态。然后，无线电辐射爆发，让氮核进入一个特殊的自旋状态。
第二，低功耗微波“纠缠”氮核和NV中心进入一种自旋状态，所以他们变得相互依赖。这个意义上，NV qubit可以，和其他qubit一起进行计算。但是在他们的实验中，Cappellaro 和 Hirose 评估了单个qubit，所以他们可以只测试最基本的计算操作：或门，改变一个比特的值。
因为被纠缠的氮核和NV中心的自旋，如果任何事情在计算中发生错误，它将被氮核自旋的形式反馈。
在计算进行以后，第三剂微波，他的偏振相对于第二个进行旋转，纠缠原子核和NV中心。研究人员然后让系统进入了微波暴露的最后序列。这些暴露被校准，然而，他们的NV中心的作用依赖于氮核的状态。如果一个错误在计算中发生，微波将纠正它。如果没有，他们将让NV中心的状态保持不变。
在实验中，研究人员发现，通过他们的反馈控制系统，NV中心的量子比特将保持叠加，长度是没有叠加的1000倍。
“Cappellaro将光放在相干反馈方法中，理论上，可以在文献中讨论，但是一直没有在实验被证明，”德国斯图加特大学的物理系的助理教授Jörg Wrachtrup说，“最好的东西就是她展示的，一但你行动正确，你将发现正确的算法，她这么做，最后这么简单地防止电子自旋反转或移相。”
“和之前的报道的技术相比，这种技术的最大优点就是使用回声保护自旋，是相对于噪音的鲁棒性，”德国乌尔姆大学的物理教授Fedor Jelezko补充说，“这个技术展示了，Cappellaro小组对于噪音的时标并不敏感。我相信这个技术的应用将很快会出现，作为一种新的协议应用于量子测量和量子计算中。”
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