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[摘 要]我们首先在一个复合固态量子系统中制备了N 量子比特线性团簇态，利用N 量子比特线性团簇态证明了量子计算的基本操作。在此系统中所使用的固态量子比特具有非常好的稳定性和可扩展性。
[关键词]氮气-空穴（N-V）中心；约瑟夫森结（CBJJ）；超导传输共振子（TLR）；单向量子计算
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0313-02
一个量子计算机通常比经典计算机具有超过指数数量级的运算速率，例如量子计算机能够有效地进行大整数因子分解和数据搜索。一个以测量为基础的量子计算即为单向量子计算 [1-4]。单向量子计算需要量子比特初始处于高度纠缠的团簇态，并且要对相应的量子比特实施单量子比特测量。之所以被称为单向量子计算机是由于团簇态中的纠缠经过单量子比特测量被破坏了，因而此团簇态在单向量子计算中仅仅能够被使用一次，所以团簇态的制备在实现单向量子计算方面起着十分重要的作用。在本文中，我们利用一个新的复合固态量子系统证明了单向量子计算的基本操作。此系统包含N 个氮气-空穴（N-V）中心与N 个超导传输共振子（TLR），相耦合，它们共同连接于一个约瑟夫森结（CBJJ）超导量子比特。通过交换虚光子，在N-V中心和CBJJ之间产生了有效的相互作用哈密顿量。
1.物理模型及相互作用哈密顿
图1： N个NV-TLR对与一个CBJJ耦合的复合量子系统示意图，其中Cc为耦合电容，CJ为结电容，Ib为偏置电流，Ic为临界电流。每个TLR中的黑点代表一个N-V中心，N 个N-V中心显示了一维的线性结构。
2.单向量子计算的实现
2.1 制备N 量子比特线性团簇态
假设CBJJ和N个N-V中心初始时刻和N个TLR处于解耦合状态，并且它们初始处于一个直积态：
结论
我们提出了一个基于N 个N-V 中心和一个通用型CBJJ间接耦合的方法来实现单向量子计算的方案，该方案是一个十分有潜力的方案。为了实现单向量子计算，我们首先制备了N -V量子比特线性团簇态；接着，利用已经制备好的4量子比特线性证明了我们的系统能够实施量子计算的基本操作：单量子比特旋转门；最后，通过实验的可行性分析，在该的系统中，CBJJ 和N-V中心的快捷操作以及较长相干时间为制备团簇态提供了可能性。
参考文献
[1] H.-J.Briegel，R.Raussendorf，Phys.Rev.Lett.86（2001） 910.
[2] R. Raussendorf，H.J.Briegel，Phys.Rev.Lett.86（2001） 5188.
[3] R. Raussendorf，D.E.Browne，H.J.Briegel，J.Mod. Opt. 49 （2002） 1299.
[4] R. Raussendorf，D.E.Browne，H.J.Briegel，Phys.Rev. A 68 （2003） 022312.
[5] X.L. Zhang，K.L.Gao，M.Feng，Phys. Rev. A 74 （2006） 024303.
[6] T. Tanamoto， Y.X. Liu，S.Fujita，X.Hu，F.Nori，Phys. Rev. Lett. 97 （2006） 230501.
[7] J. Twamley， S.D. Barrett，Phys.Rev.B 81 （2010）241202（R）.
[8] W.L. Yang， Z.Q. Yin， Q. Chen， C.Y. Chen， M. Feng， Phys. Rev. A 85 （2012） 022324.
[9] P. Neumman et al.， Science 320 （2008） 1326.
[10] J. Harrison， M.J. Sellars， N.B. Manson， Diamond Relat. Mater. 15 （2006） 586.
[11] G. Balasubramanian et al.， Nat. Mater. 8 （2009） 383.
作者简介
赵宇靖（1984—），女，在读博士，主要研究方向为量子信息和量子计算。
方细明（1962—），男，教授，博士生导师，主要研究方向是量子信息与量子计算。
基金项目
本文系湖南省研究生创新项目（No.CX2013B221）和国家自然科学基金项目（No.11174100）、（No.1127506）的研究成果之一。
[关键词]氮气-空穴（N-V）中心；约瑟夫森结（CBJJ）；超导传输共振子（TLR）；单向量子计算
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0313-02
一个量子计算机通常比经典计算机具有超过指数数量级的运算速率，例如量子计算机能够有效地进行大整数因子分解和数据搜索。一个以测量为基础的量子计算即为单向量子计算 [1-4]。单向量子计算需要量子比特初始处于高度纠缠的团簇态，并且要对相应的量子比特实施单量子比特测量。之所以被称为单向量子计算机是由于团簇态中的纠缠经过单量子比特测量被破坏了，因而此团簇态在单向量子计算中仅仅能够被使用一次，所以团簇态的制备在实现单向量子计算方面起着十分重要的作用。在本文中，我们利用一个新的复合固态量子系统证明了单向量子计算的基本操作。此系统包含N 个氮气-空穴（N-V）中心与N 个超导传输共振子（TLR），相耦合，它们共同连接于一个约瑟夫森结（CBJJ）超导量子比特。通过交换虚光子，在N-V中心和CBJJ之间产生了有效的相互作用哈密顿量。
1.物理模型及相互作用哈密顿
图1： N个NV-TLR对与一个CBJJ耦合的复合量子系统示意图，其中Cc为耦合电容，CJ为结电容，Ib为偏置电流，Ic为临界电流。每个TLR中的黑点代表一个N-V中心，N 个N-V中心显示了一维的线性结构。
2.单向量子计算的实现
2.1 制备N 量子比特线性团簇态
假设CBJJ和N个N-V中心初始时刻和N个TLR处于解耦合状态，并且它们初始处于一个直积态：
结论
我们提出了一个基于N 个N-V 中心和一个通用型CBJJ间接耦合的方法来实现单向量子计算的方案，该方案是一个十分有潜力的方案。为了实现单向量子计算，我们首先制备了N -V量子比特线性团簇态；接着，利用已经制备好的4量子比特线性证明了我们的系统能够实施量子计算的基本操作：单量子比特旋转门；最后，通过实验的可行性分析，在该的系统中，CBJJ 和N-V中心的快捷操作以及较长相干时间为制备团簇态提供了可能性。
参考文献
[1] H.-J.Briegel，R.Raussendorf，Phys.Rev.Lett.86（2001） 910.
[2] R. Raussendorf，H.J.Briegel，Phys.Rev.Lett.86（2001） 5188.
[3] R. Raussendorf，D.E.Browne，H.J.Briegel，J.Mod. Opt. 49 （2002） 1299.
[4] R. Raussendorf，D.E.Browne，H.J.Briegel，Phys.Rev. A 68 （2003） 022312.
[5] X.L. Zhang，K.L.Gao，M.Feng，Phys. Rev. A 74 （2006） 024303.
[6] T. Tanamoto， Y.X. Liu，S.Fujita，X.Hu，F.Nori，Phys. Rev. Lett. 97 （2006） 230501.
[7] J. Twamley， S.D. Barrett，Phys.Rev.B 81 （2010）241202（R）.
[8] W.L. Yang， Z.Q. Yin， Q. Chen， C.Y. Chen， M. Feng， Phys. Rev. A 85 （2012） 022324.
[9] P. Neumman et al.， Science 320 （2008） 1326.
[10] J. Harrison， M.J. Sellars， N.B. Manson， Diamond Relat. Mater. 15 （2006） 586.
[11] G. Balasubramanian et al.， Nat. Mater. 8 （2009） 383.
作者简介
赵宇靖（1984—），女，在读博士，主要研究方向为量子信息和量子计算。
方细明（1962—），男，教授，博士生导师，主要研究方向是量子信息与量子计算。
基金项目
本文系湖南省研究生创新项目（No.CX2013B221）和国家自然科学基金项目（No.11174100）、（No.1127506）的研究成果之一。