2026年10月1日——量子技术依赖于量子比特。量子比特是信息单元，可以存在于0和1状态的组合中，而不像传统比特那样只能限于其中一种。量子比特可以发生纠缠，这意味着它们的状态会以无法通过单独考虑每个量子比特来解释的方式相互关联。

一个有望用于实现和研究纠缠量子比特的平台是氮-空位中心。这是金刚石中的一种微小缺陷，其中氮原子位于一个缺失的碳原子旁边。

在这些基于金刚石的系统中，研究人员通常通过一系列门（即受控操作）来纠缠量子比特组，一次将缺陷处的电子与一个碳原子的原子核连接起来。这一过程耗时，并可能导致串扰，即某一操作还会影响本不应作为目标的量子比特。

宾夕法尼亚大学的研究人员最近提出了一种新方法，用于在室温下实现一种连接金刚石中多个量子比特的门。他们的方法概述于发表在Nature Nanotechnology上的一篇论文中，使他们能够实现四量子比特Greenberger–Horne–Zeilinger态。这是一种纠缠类型，其中四个量子比特共享两种集体排列的量子组合，例如全0和全1。

“多体纠缠是量子系统的一个基本方面，是执行量子算法、实现纠错和实现量子增强传感所必需的，”Joseph D. Minnella、Mathieu Ouellet及其同事在论文中写道。“在固态量子寄存器（例如金刚石中的氮-空位中心）中，纠缠态通常是通过中心电子与单个核量子比特之间的顺序成对门来创建的。这种顺序方法速度慢，并且存在串扰误差。”

在金刚石中实现四个纠缠量子比特

在他们的实验中，研究人员在室温下使用金刚石中的氮-空位中心。他们使用缺陷处的电子和附近三个碳-13原子核作为四个量子比特。该团队实施了一个精确定时的控制序列，促使电子与三个核量子比特并行相互作用。这在单个门中产生了一个四量子比特纠缠态。

研究人员测试了涉及该电子和不同核量子比特对的并行门，然后将它们与一次施加一对的门进行比较。为了验证纠缠，他们改变核量子比特的量子相位，并测量金刚石缺陷发出的光。由此产生的图样使他们能够确定有多少量子比特发生了纠缠。

“我们展示了一种并行化的多量子比特纠缠门，利用室温氮-空位中心仅在14.8 μs内生成四量子比特Greenberger–Horne–Zeilinger态——比使用双量子比特门序列快10倍，并接近由超精细耦合频率设定的基本极限，”作者写道。“还利用所有核量子比特子集实现了并行的三量子比特门。通过测量多量子相干来验证纠缠态。”

有前景的结果与未来可能性

研究人员发现，他们实现的四量子比特并行门比与之比较的顺序操作快10倍。此外，与顺序四量子比特门相比，该并行门具有更高的保真度（即衡量操作按预期执行程度的指标）。

“四量子比特并行门的保真度为0.92(4)，而顺序四量子比特门的保真度仅为0.69(3)，”Minnella、Ouellet及其同事写道。“该方法可推广到其他固态平台，并为实际设备中纠缠的可扩展生成与控制奠定了基础。”

未来，研究人员的方法可用于在基于金刚石的量子系统和其他固态量子平台中实现更精确的纠缠门。最终，它可扩展到具有更多量子比特的系统，并有助于推动量子传感或其他量子技术的进步。