基于内嵌富勒烯的量子纠错与量子多任务处理

注：文末有本文科研思路分析

量子计算和量子信息处理作为新一代科技革命中的重要技术，目前正受到世界各国的广泛关注。以内嵌富勒烯为代表的顺磁分子凭借丰富的能级结构，完美的一致性和良好的可拓展性，成为了量子信息载体的有力竞争者。量子计算在特定算法上以压倒性优势领先于经典算法，而量子计算的容错性是实用化量子信息处理的必备条件，实现量子纠错的一个有效方法是将多个物理量子位编码为一个逻辑量子位，通过比较多个并行运算的结果实现量子容错。但相关研究仍然较少，在分子体系中的相关研究更是仅停留在理论设计阶段，尚未见使用分子量子位实现量子纠错的报道。

近日，华南理工大学蒋尚达教授与国防科技大学周珅博士合作，利用脉冲电子顺磁共振技术，在氮内嵌富勒烯衍生物中，实现了不同频率跃迁的同时激发，利用该体系中由超精细耦合产生的三组互不干扰的峰，演示了量子容错性的Deutsch-Jozsa算法，同时展示了量子计算机的多任务处理性能。

研究者选取了两种N@C₆₀衍生物，其S = 3/2的电子自旋具有四个磁子能级m_S = +3/2、+1/2、–1/2、–3/2，电子自旋与氮-14核自旋的超精细相互作用，使每个磁子能级进一步发生了三重裂分（m_I = +1、0、–1）。以m_I 将所有的12个量子态分为3组，可用于3个独立的量子处理进程。为了同时实现多频率跃迁的精准操控，研究者一方面利用任意波形发生器实现了不同频率跃迁的同时操控，另一方面提出了一种全新的初始化方法解决了部分跃迁峰重叠的问题，从而实现了对各个能级的任意操控。

研究者首先演示了Deutsch-Jozsa算法的量子纠错演示。Deutsch-Jozsa算法用于判断一个未知函数是平衡型还是常数型。在并行计算的过程中，两个超精细进程对相同的问题进行求解。当因退相干或相位漂移等原因导致某个独立进程出错时，两个超精细进程将给出不同的运算结果，使错误能够被及时被发现和纠正，进而实现量子计算的容错性。在此研究者对可能的四种量子逻辑门进行了正确概率分析，并演示了需要舍弃最终结果的情况，体现了量子纠错对量子计算的重要意义。

此外，多个超精细进程也可同步执行不同的量子逻辑运算，研究者以两种量子逻辑门控验证了多进程的独立性与可用性。研究者可以任意改变两个逻辑门中一个的速度和方向，而另一个不会受到影响。未来，结合多个超精细进程间的自旋操纵，人们还可以完成更复杂的量子容错和并行计算任务。分子基量子比特作为量子比特的一个优良载体，目前在弛豫时间，可拓展性等领域都取得了长足的进步，这篇文章展现了分子中常见的超精细相互作用对量子信息处理的重要作用，分子基量子比特在未来将展现出更大的潜力。

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Multiprocessing Quantum Computing through Hyperfine Couplings in Endohedral Fullerene Derivatives

Peng-Xiang Fu, Shen Zhou, Zheng Liu, Cong-Hui Wu, Yu-Hui Fang, Zhi-Rong Wu, Xing-Quan Tao, Jia-Yue Yuan, Ye-Xin Wang, Song Gao, Shang-Da Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202212939

导师介绍

蒋尚达

https://www.x-mol.com/university/faculty/341971 

研究思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究目的是发挥氮内嵌富勒烯的优势，进行量子信息处理的相关演示。氮内嵌富勒烯作为分子磁体的一员，有着较长的弛豫时间和丰富的能级结构，经过化学修饰后有被选择性操控的潜力。我们借助脉冲电子顺磁共振技术，对各个能级进行了选择性操控，从而实现了量子相干操控。

同时，多任务处理是现代计算机提升效率的必备功能，量子纠错则是量子计算走向可用化的必经之路，这些概念我们已经相对熟悉，结合氮内嵌富勒烯三重超精细分裂的特点，我们想到了利用氮内嵌富勒烯进行多进程量子计算，进行了Deutsch-Jozsa算法的量子纠错演示和多量子逻辑门的同时操控。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何进行多跃迁的同时精准操控。氮内嵌富勒烯为我们提供了丰富的能级，修饰后有了选择性操控的可能。我们为了实现精准操控，利用任意波形发生器同时施加了多频率的高斯型脉冲，保证了选择性与操控效率，并且开发出了一种新的初始化方法，成功解决了峰重叠的问题

这项研究是我们以化学人的身份，向量子计算的实践做出的一个尝试，涉及了很多量子力学方面的知识，交叉学科要求我们有较丰富的知识储备。希望我们的物理学知识储备更进一步，用化学手段为其它学科做出更多贡献。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：量子容错性是量子计算大规模应用的必备条件，超精细耦合则是普遍存在于分子磁体中的一类相互作用。该研究成果利用超精细耦合进行了量子纠错的相关演示，为分子基磁体如何利用超精细相互作用提供了一种新的思路。同时，该研究利用分子基量子比特完成了多进程任务处理和量子纠错的演示，为分子基量子比特的发展做出了贡献。