38、固态量子比特系统中的相互作用与双比特纠缠操作

固态量子比特系统中的相互作用与双比特纠缠操作

在量子计算领域，固态量子比特系统具有巨大的潜力。本文将深入探讨固态量子比特系统中的相互作用，以及如何利用这些相互作用实现双比特纠缠操作。

1. NV⁻中心作为固态量子比特

NV⁻中心的能级结构十分复杂，其中与³E和³A相关的振动电子能级使结构更加复杂。不过，实验表明，被激发到³E能级的电子会迅速衰减到该能级组的最低能级，并且在这一系列跃迁后，电子的自旋与基态时相同。这种自旋保持的光学跃迁特性，让NV⁻中心成为极具吸引力的固态量子比特。

为了定义一个量子比特，需要在NV⁻中心找到两个计算基态|0⟩和|1⟩。可以选择ms = 0作为其中一个量子比特态，另一个态可以选择ms = 1或ms = -1，但这两个态是简并的，可能会导致寻址问题。为了消除简并性，通常会在z方向对中心施加一个磁场，从而分裂ms = ±1的双重态。然后，其中一个态与ms = 0态组成量子比特。初始化通过光泵浦来实现，激发时自旋保持不变，但系统衰减回基态时并非总是如此。特别是，ms = ±1态有很小的概率通过单重态能级衰减到ms = 0态，即所谓的系统间跃迁。长时间的泵浦可以使自旋极化率超过80%。

这种不对称的系统间跃迁还为光学自旋读出提供了一种机制。由于ms = ±1态的电子在激发后很可能“存储”在单重态中，因此ms = 0态的荧光信号比ms = ±1态大约大三个数量级，这使得NV⁻系统非常适合自旋读出和观察光学检测磁共振。将NV⁻中心量子比特扩展到多个量子比特最有前景的方法可能是使用分布式量子计算。

2. 固态量子比特间的相互作用

量子比特之间的可控相互作用为双比特门操作提供了可能。固态量子比特之间主要