基于掺杂富勒烯的固态量子计算研究

固态量子计算是当前量子计算领域的热点和难点。近些年提出的基于掺杂富勒烯的量子计算方案，以其优越的退相干性能、可扩展性和技术难度相对较小的优势，受到了国际学界的高度重视。该方案把量子信息编码在电子自旋与核自旋相干的物理体系上，这一新颖之处带来了量子计算性能上的优越性，但同时也增加了实验研究的难度。当前国际上对此方向的研究才刚刚起步。本项目拟在我们从事核磁共振量子计算的深厚基础上，发展有效的实验技术，对掺杂富勒烯量子计算进行系统深入的理论和实验研究。主要内容包括：1.样品的退相干性质和机制研究；2.精确的自旋操控技术研究；3.基本量子逻辑门和量子算法的实验实现；4.方案可扩展性的理论和实验探讨。预期本项目的顺利开展和完成，将不仅能对该领域的研究做出实质性和突出性的贡献，同时其成果也将对同类实验体系的研究具有重要的借鉴意义，为保持我国在量子信息量子计算研究中的先进地位做出贡献。

本项目针对掺杂富勒烯、磷硅、金刚石氮-空穴中心等具备优秀性能的固态自旋体系，围绕量子计算中的自旋量子态精确制备与操控、量子相干性保持和可扩展能力等关键科学问题，开展基础性、前瞻性和战略性研究。经过四年的努力，项目已顺利圆满完成，取得了以下主要研究成果：（1）完成了真实噪声环境下使用动力学解耦方法保护固态自旋量子相干性的实验研究(Nature 461, 1265 (2009))，提升自旋量子相干时间近三个数量级；（2）完成了两量子比特纠缠态保护的实验研究（Physical Review Letters 106, 040501 (2011)），提升纠缠态寿命两个数量级；（3）首次实验观测到单分子磁体自旋基态信号（Physical Review Letters 108, 230501 (2012)），为在该体系上实现量子计算奠定了基础；（4）完成了室温单自旋体系上的首个量子算法实验（Physical Review Letters 105, 040504 (2010)）；（5）观测到室温下单电子自旋的反常退相干效应（Nature Communications 2, 570 (2011)）；（6）实验实现了抑制退相干的高保真度量子逻辑门（Physical Review Letters 109, 070502 (2012)）。项目已发表SCI研究论文30篇，包括Nature 1篇，Nature Communications 1篇，Physical Review Letters 10篇。研究成果入选了2009年度中国十大科技进展和中国高校十大科技进展，获得了2011年度教育部高等专科学校优秀成果自然科学类一等奖。本项目的顺利完成为固态自旋量子计算的进展起到了扎实的推动作用。