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中科大研究团队首次在室温固态体系中实验实现绝热量子质因数分解
2017-04-13 10:14:25 来源:物理学院 作者:许克标 【 】 浏览:382

  中国科学技术大学杜江峰院士课题组利用金刚石中的自旋作为量子处理器,首次在室温大气条件下实现了基于固态单自旋体系的质因数分解量子算法。研究成果发表在3月31日的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 118, 130504 (2017)]。

  RSA密钥体系是当今金融、网络等领域普遍使用的加密方式。其安全性的基础在于对于经典计算而言,尚无有效的方法能在合理的时间内完成大数的质因数分解,因此RSA加密体系目前是安全的。1994 年,Peter Shor提出了基于量子计算机的质因数分解算法,即著名的Shor算法,从理论上证明了量子计算机可以指数加速大数的质因数分解,使得原本在当前最好的计算机上需要上万年才能完成的计算任务,量子计算机瞬间即能完成。这一算法的提出极大地推动了量子计算的研究进程。但是,Shor算法基于传统的量子线路模式,由于实验难度太大,目前使用Shor 算法分解的最大数仅是21 [Nature Photonics. 6 , 773 (2012)]。近年来,杜江峰课题组开展了采用绝热量子计算这一新型的量子计算模式来实现量子质因数分解的研究,在核磁共振实验体系中先后实现了21和143的量子质因数分解[Phys. Rev. Lett. 101, 220405 (2008);Phys. Rev. Lett. 108, 130501 (2012)],创造了当时量子质因数分解的记录。

  在最新完成的这件工作中,杜江峰课题组利用金刚石中的自旋作为量子比特,首次在室温大气条件下实现了基于固态单自旋体系的量子分解算法。研究人员以分解35作为例子,完整演示了绝热量子分解算法的整个过程,并以高保真度得到了问题的解。为了克服金刚石单自旋量子相干时间不够长的问题,研究人员发展了核与电子杂化体系的优化控制技术,提高了量子演化过程的保真度。这一优化控制技术具有普适性,将可以应用于其他自旋体系。金刚石单自旋是目前极具潜力建造室温固态量子计算机的实验体系,该工作展示了在这一体系中实现复杂量子算法的能力,向着建造室温固态量子计算机迈进了重要一步。

  值得指出的是,此前有理论研究表明[ arXiv:1411.6758 (2014)],使用上述实验中的相同实验过程,不仅可以分解35,还可以分解更大的数,比如272683这样的六位数。即利用数学原理,分解35和分解272683在实验上具有同等难度。此外,利用金刚石中内部自旋之间的耦合,或者通过NV色心自旋与光腔模式的耦合,未来有希望实现可扩展的量子计算系统,实现实用化的量子质因数分解功能。

  上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持。

  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.130504

 

(中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、微尺度物质科学国家实验室、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部)

发布:topsky
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