新型量子計算技術：基於鑽石中的硅空位中心！

導讀

「鑽石恆久遠，一顆永流傳。」然而，大家可能沒想到，鑽石中的瑕疵，對於製造量子計算機來說，具有極高的價值。今天，我們通過美國科學家的最新創新成果，一起看看鑽石中的瑕疵是如何用於量子位製造的，以及科學家採用什麼新方法精準地製造這些瑕疵的。

關鍵字

量子計算機、鑽石、光學、硅

背景

今天，我們要介紹的前沿創新技術，涉及兩個重要的概念「鑽石」以及「量子計算機」。那麼，這看似不相關的兩項事物，是如何聯繫到一起的呢？

首先，我們還是先介紹量子計算機和鑽石的背景知識，然後再通過今天介紹的最新創新技術，以及對其進行深入地技術分析，一步一步向大家闡述清楚。

• 量子計算機

量子計算機，並不是一個陌生話題。之前，筆者在多篇文章中都有過介紹，例如：《聲子計算機：計算機技術未來發展的新希望！》一文，曾介紹過量子計算機和普通計算機的本質差異。所以，這裡就不再贅述量子位、比特位、量子疊加、量子糾纏這些概念了，有興趣的朋友可以參考一下筆者以往的文章。

簡單地說，量子計算機利用了量子物理的「量子疊加」和「量子糾纏」效應，將信息存儲在「量子位」中，達到超快速的並行計算能力，並且這種能力隨著量子位數目的增加，呈指數方式增長。所以，量子計算機較傳統計算機，特別是處理特殊的計算問題方面，速度會有飛躍式提升。

未來，量子計算機將應用在超級計算、信息處理、人工智慧、大數據、信息安全等領域，並且具有無可比擬的優勢。因此，世界各國都將量子計算機視為重點發展的戰略前沿技術，不斷攀登量子計算機技術的高峰。

接下來，我們還是說點比較貼近工程實踐的內容，也就是如何製造量子計算機。一般來說，科學界會採用超導和光子的辦法，但是目前這些方法有一個重要瓶頸，就是需要極低的溫度條件。

• 鑽石

所以，科學家一直在尋找新材料，能夠在室溫條件下，製造出量子位，並進行強大的量子計算。這種材料是什麼呢？

它就是鑽石。

鑽石，其實原始材料也就是天然礦物「金剛石」，它是在高溫、高壓條件下形成的碳元素單質晶體。在金剛石晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連接，組成無限的三維骨架，是典型的原子晶體。

下面這一幅圖，向我們展示了金剛石和其同素異形體：石墨，在內部碳原子排列方式上的差異，以及外表物理特徵的差異：一個光亮堅硬，一個烏黑柔軟。

（圖片來源於：維基百科）

鑽石具有純凈明潔、光芒四射、硬度極高等卓越特性，所以象徵著愛情和忠貞，往往成為男女之間的定情信物。

但是科學家研究發現，鑽石雖然極度純凈，但也並非完美無瑕。然而，正是這種瑕疵，使得鑽石在量子計算機，特別是量子位製造方面，具有極高的價值。

那麼，為什麼鑽石的瑕疵和量子位有什麼關係呢？在這篇文章中的技術章節中，筆者會向大家說明。

創新

（圖片來源於：麻省理工學院）

我們今天要介紹的創新成果，就和鑽石的瑕疵相關。簡單的說，這些納米級的原子瑕疵，可具有量子位功能。然而，在複雜的鑽石結構中，精準地定位這些瑕疵，對於鑽石量子計算機來說十分重要。

美國麻省理工學院、哈佛大學、桑迪亞國家實驗室的研究人員在這方面進行了創新探索，他們開發出了一種全新技術，能夠有目標地創建瑕疵，較之前的方法更加簡單和精準。

這篇論文有15名合著者，其中7名來自麻省理工學院，包括Englund、文章的第一作者Tim Schr?der，以及Edward Bielejec 、Mikhail Lukin等人。他們的論文發表在昨天的《自然通信》雜誌上。

在實驗中，通過這項技術產生出的瑕疵，平均來說，在理想位置50納米範圍之內。麻省理工學院電氣工程和計算機科學專業的教授，團隊的領頭人 Dirk Englund 說：

「處理量子信息的理想方案是創建一個光學電路，讓光子量子位能夠來回穿梭，然後在你需要的地方放置一個量子內存。我們幾乎達到了這個目標。這些發射體近乎完美。」

技術

為了讓大家更加深入地了解這項創新，下面我們對於技術的重點，做一些詳細說明。

首先，介紹一下鑽石的瑕疵和量子位有什麼關係。

這項研究中介紹的量子位是基於鑽石瑕疵的。它結合了兩個重要概念：第一，「空位」，這是鑽石晶格中的一個位置，本來此位置上應該有一個碳原子，但是它卻消失了；第二，「摻雜物」，這也就是說除了碳原子以外，其他物質的原子在晶格中被發現。正是由於「空位」和「摻雜物」兩個概念相結合，創造了「空位」和「摻雜物」的「中心」，從而可以捕獲自由電子。這些電子的磁定位，或者說是「自旋」，可能會產生疊加態，從而形成量子位。

接下來，我們要介紹量子計算機一個的經典老問題，即如何讀取量子位的信息。

鑽石瑕疵提供了一個簡單的解決方案，因為它們是一種自然的光線發射體。實際上，由鑽石瑕疵激發出的光粒子，能夠保持量子位的疊加態，所以他們能在量子計算設備之間傳遞信息。

然而，目前對於利用鑽石的瑕疵製造量子位，科學界研究最多的就是氮-空位中心技術。

例如，2013年，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）固態量子信息與計算實驗室的潘新宇副研究員小組在國內率先開展基於氮-空位中心量子計算研究。（參考資料【3】）。

金剛石氮空位中心電子自旋和近鄰13C核自旋構成的雙比特系統以及用動力學解耦脈衝來引導系統演化。

（圖片來源於：參考資料【3】）

這種技術比其他候選的量子位技術，保持疊加態的時間更長。但是，它激發的光線頻譜相對較寬，所以會帶來測量方面的不準確性，可是這種測量正是量子計算所依賴的。

為了解決以上問題，在這篇研究論文中，研究人員介紹了一種新的方案：硅空位中心。

（圖片來源於：參考資料【2】）

它發出光線的頻譜十分狹窄。然而，它們並不是天生地具有疊加態，理論顯示將他們的溫度冷卻至毫開爾文範圍（絕對零度以上的小數）之內的時候，能夠解決這個問題。（然而，氮空位中心量子位需要冷卻至4開爾文左右。）

接下來，我要介紹一下這項研究所採用的相關製造方法。

為了使量子位變得可讀，量子位發出的光線信號必須經過放大處理，然後還必須通過引導和重定位，才能進行相關運算。所以，這就是為什麼精準放置這些瑕疵顯得十分重要，這裡有兩種候選方法：

• 第一種方法，將光學電路的蝕刻到鑽石中，然後再在確當的位置嵌入瑕疵；

• 第二種方法，隨機創造瑕疵，再在其附近構造光學電路；

顯然，第一種方法要更加容易達到精準放置瑕疵的目標。

所以，科研人員首先將人造鑽石刨平，直到達到僅僅只有200納米的厚度。然後，他們將光學腔體蝕刻到鑽石表面，這樣不僅增加了由缺陷激發出的光線亮度，同時縮短了發射時間。

隨後，鑽石被送往桑迪亞國家實驗室，該實驗室的研究團隊已經定製了一種商用設備：「納米-離子注入機」，它可以噴射出硅離子流。桑迪亞國家實驗室的研究人員向鑽石中的每個光學腔體發射了20到30個硅離子。

（圖片來源於：參考資料【2】）

這時，只有2%的腔體具有硅空位中心，研究人員下一步目標就是要創造更多的硅空位中心。

麻省理工學院和哈佛大學的研究人員開發出了一種通過電子束爆破鑽石的工藝，創造出更多的空位，然後將鑽石加熱到1000攝氏度，這樣可以使得空位沿著晶格運動，從而讓他們能夠和硅原子結合。

價值

通過這兩種工藝處理過鑽石以後，硅空位中心的產量增加了十倍，達到20%。總體來說，重複這一過程，還將進一步增加硅空位中心的產量。

當研究人員分析硅空位中心之後，他們發現硅空位中心位於空腔邊緣附近，大約50納米範圍內的地方。這樣使得發射光亮度只有差不多85%到90%，但是這仍然非常好的結果。

斯坦福大學電氣工程教授 Jelena Vuckovic，一直在進行納米光子和量子光學的研究。我們看看他對於這項創新的評價：

「這是一個十分出色的成果。我希望這項技術可以超過50納米，因為50納米的位置誤差，將會降低光與物質相互作用的強度。但是，這已經是朝著這一目標的重要一步。並且，50納米的精度肯定要比完全不控制位置的好，我們平時做這些實驗室時是不控制位置的，我們從隨機放置發射體開始，然後製造諧振器。」

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2017/toward-mass-producible-quantum-computers-0526

【2】https://www.nature.com/articles/ncomms15376

【3】https://www.nature.com/articles/ncomms3254

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