「鑽石瑕疵」讓量子計算機看到了批量生產的曙光

在傳統計算機中，信息以「比特」的形式存儲在晶體管中，在某一時刻比特位的狀態要麼是 0，要麼是 1；而在量子計算機中，用於存儲信息的量子位可能同時處於既是 0 又是 1 的疊加狀態。正是基於這一原理，量子計算機能夠解決大規模計算問題，並且其並行計算能力可以隨著量子位的增加而增強。

量子計算機是利用量子力學規律來進行高速運算和處理量子信息的裝置，它與傳統的二進位計算機最大的區別在於，它使用量子位存儲信息。但是，以目前的技術，要創造量子位需要極低的溫度條件，所以科學家們一直在尋找室溫條件下就能創造出量子位的材料。近日，研究人員發現鑽石晶體結構中的瑕疵可以更加簡單精確的創造出量子位。

近日，麻省理工學院、哈佛大學和桑迪亞國家實驗室的研究人員在《Nature Communications》發表了一篇論文，他們發現可以運用鑽石材料內納米級的原子缺陷來構建量子位，並且有望通過這個發現實現量子計算機的批量生產。

這種原子缺陷就是鑽石瑕疵，它主要有兩個方面：其一是指在鑽石晶體結構中，原本應該有一個碳原子的位置現在空缺，形成一個空位；其二是指在鑽石晶格中，除了碳原子還有其他元素的原子（也叫作摻雜物）存在。當這兩種情況疊加產生「空位-摻雜物中心」時，就能夠捕獲自由電子，從而形成量子位。

另外，該發現還解決了讀取量子位信息的問題。鑽石的原子缺陷可以激發光粒子，保持量子位的疊加狀態，因此能夠在量子計算機之間傳遞信息。目前，科學界研究最多的利用鑽石瑕疵製造量子位的的方法是氮-空位中心技術，雖然它能保持長時間的疊加狀態，但它的光譜較寬，導致測量不準確。所以此次研究人員採用了硅-空位中心技術來解決這個問題。

電子工程與計算機科學副教授 Dirk Englund 在接受麻省理工學院採訪時說：「量子信息處理的理想場景是製造一個光迴路，穿過光子量子位，然後在你需要的地方安置一個量子存儲器。現在我們幾乎做到了這一點。」

但是，要想真正實現批量生產量子計算機，科學家們還需要解決如何準確定位鑽石原子中瑕疵位置的問題。斯坦福大學電氣工程教授 Jelena Vuckovic 說：「我希望我們可以將位置誤差控制在 50 納米以內，這樣可以降低光與物質之間的相互作用。現在我們正在朝著這個目標前進。」

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