傳統電子上的比特位是經典的二進製的1或0狀態存在，而更為豐富的量子位資源，或由向量表示的'量子位'，指1和0狀態同時聯合。為了完全實現一個量子位，有必要控製這種量子位矢量的方向，這通常是使用微調和噪聲隔離程序進行的。
在芝加哥大學的分子工程學院和康斯坦茨大學的研究人員已經證明，能產生量子邏輯運算或量子比特位循環，這是令人驚訝的發現，在本質上是對噪聲的彈性以及對變化的強度或持續時間的控製。他們的成就是基於被稱為貝裏相位幾何的概念，並完全是通過光學手段在鑽石中的單一電子自旋實現。
他們的研究發表在《自然光子學》2016年2月15日的網絡版，並將在三月份刊印。 “特別是與傳統的電子相比較，我們傾向於認為量子操作是很脆弱的且容易受到噪音影響的，” 領導這項研究的大衛·奧沙隆提到，他也是阿貢國家實驗室分子工程教授和資深科學家。 “相比之下，我們的做法顯示出了令人難以置信的抵禦外部影響和滿足了任何實際量子技術的關鍵要求。”
當一個量子力學的對象，如電子，沿一些環路循環，它將會保留對所經過路徑的記憶即貝裏相位。為了更好地理解這一概念，傅科擺作為大多數科技館都有的儀器可以幫助我們直觀理解這一概念。鍾擺，像那些落地座鍾一樣，通常在一個固定的平麵內來回振蕩。然而，一個傅科擺在一天的過程中由於地球的旋轉而在平麵上來回擺動，進而敲在一係列環繞擺放的針腳上。
所敲引腳的數量是鍾擺在振蕩平麵上總角量，從而獲得幾何相位。從本質上講，由於地球的旋轉沿著一個特定的封閉路徑，即其緯線圈，這種移動直接關係到地球表麵擺的位置。而該角移取決於特定路徑，奧沙隆說到，它不依賴於地球的旋轉速度或擺的振蕩頻率。
“同樣，貝裏相位是量子係統內部狀態的類似路徑相關的旋轉，它顯示出了在量子信息處理中可作為一個強大的操縱量子比特狀態的一種有前景的手段，”他說。
在這個實驗中，研究人員操縱的量子態的貝裏相位是在氮-空缺(NV)中心內，是金剛石中原子尺度的缺陷。在過去的十年半的時間裏，電子自旋態作為一個潛在的量子比特已經獲得了人們極大的興趣。在他們的實驗中，小組成員開發了一種通過改變所施加的激光來繪製此缺陷旋路徑的方法。為了證明貝裏相位，他們追蹤類似於橘子片的量子空間的所有的自旋態的可能的組合的循環。
“從本質上講，像桔片的麵積，我們畫的數量決定了我們能夠積累的貝裏相位的量，”克裏斯托弗·耶魯說，他是奧沙隆實驗室的博士後學者，也是該項目的共同主要作者之一。
這種使用激光來充分控製電子自旋的路徑的方法是在對比更為通常的通過微波場控製所述NV中心旋轉。這種方法可能在有一天對開發這些缺陷有用處，聯接和控製完全是由光，其作為一種既處理又傳輸量子信息的方法。
使得其具有強大的量子邏輯操作能力的是貝裏相位的一個重要特征，其能夠抵禦噪聲源。為了測試貝裏相位操作的魯棒性，研究人員有意添加噪聲到激光控製的路徑中。其結果是，自旋態將在一個不穩定的方式沿著其預定路徑行進。然而，隻要在路徑的總麵積保持不變下，做了貝裏相位的測定。
“特別的是，我們找到了貝裏相位不敏感的波動激光的強度。這樣的噪音通常是對量子調控有害的，”布賴恩·周說，他是研究小組的博士後學者，並且是共同的第一作者。
“想象一下你正在沿著湖邊徒步旅行，即使你不斷離開的路徑去拍照，你最終完成環湖徒步旅行，”約瑟夫·F說，他也是共同的第一作者，現在是阿貢國家實驗室研究人員說。 “你通過整個循環，無論你采取了離奇的路徑，所以包圍的區域幾乎是保持相同的。”
鑽石中的這些光控貝裏相位提出了一種穩健和容錯的量子信息處理的路線，圭多·布卡德指出，他是康斯坦茨大學的物理學教授，是該研究項目的理論合作者。
“雖然該技術的應用仍然是初期的，貝裏相位有豐富的基本數學框架，使這項研究成為一個迷人區域，” 圭多·布卡德說。
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