科學(xué)家在鉆石內(nèi)構(gòu)建量子計算機

據(jù)報道，一個由美國南加利福尼亞大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等機構(gòu)的研究人員組成的國際小組利用鉆石中的瑕疵作為量子比特，構(gòu)建了一種鉆石內(nèi)的量子計算系統(tǒng)，并包含有使該計算機免于退相干的保護機制。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的 《自然》雜志上。

鉆石作為珠寶，其所含的雜質(zhì)越多，價值就越小，但研究中要利用的卻是雜質(zhì)本身。有一種鉆石的瑕疵是氮原子取代了碳原子及鄰近的晶格空位，形成了氮晶格空位中心 (nitrogen-vacancy center)，研究小組構(gòu)建 “鉆石內(nèi)”量子計算機用的就是這種鉆石。該計算系統(tǒng)有兩個量子比特，由亞原子粒子構(gòu)成。游離的氮原子核和多出的一個電子分別成為第一和第二個量子比特。更準(zhǔn)確地說，是用它們的“自旋”來作為量子比特。

在傳統(tǒng)的計算機中，一個比特只能編碼一個0或一個1；而量子比特能同時編碼一個0和一個1，這種 “迭加”的性質(zhì)，再加上量子 “隧道效應(yīng)”穿越障礙的能力，讓量子計算機在執(zhí)行最優(yōu)化計算時比傳統(tǒng)的計算機要快得多。

電子比原子核更小，計算更快，但退相干也更快；以原子核為基礎(chǔ)的量子比特更大，計算更慢卻更穩(wěn)定。南加利福尼亞大學(xué)的丹尼爾?利達教授說： “一個原子核退相干的時間會更長，處于毫秒級，這在量子水平可以說是非常‘遲緩’的。”盡管以前也有固態(tài)量子計算系統(tǒng)，但新系統(tǒng)是首次加入了退相干保護機制，它通過微波脈沖使電子自旋方向保持不斷的轉(zhuǎn)換。

研究小組還用格魯弗算法測試了該 “鉆石內(nèi)系統(tǒng)”是否以量子方式計算。這種算法是貝爾實驗室的洛弗?格魯弗于1996年發(fā)明的，可用于對一個未分類數(shù)據(jù)庫的查找，在量子計算領(lǐng)域也很有用。比如在一個電話號碼簿中，利用一個號碼尋找某個名字，有時你能一下子發(fā)現(xiàn)要找的目標(biāo)，而大多數(shù)時候，可能要翻遍整個號碼簿。如果要進行無數(shù)次這種查詢，平均下來，那么每次找到目標(biāo)都要翻遍一半的號碼簿。從數(shù)學(xué)上講，做出正確選擇的概率為1/2。

如果號碼簿上有4個可選號碼，普通計算機平均每次發(fā)現(xiàn)正確選項要找兩次；而一臺擁有 “迭加”性能的量子計算機每次發(fā)現(xiàn)正確目標(biāo)只要一次。這背后有復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論的支持。在實驗中，研究人員用他們的 “鉆石箱”搜尋一個未分類的4個選項的序列，在第一次就找到正確選項的概率達到95%。

研究人員表示，這表明該系統(tǒng)雖然還不十分完善，但確實是以量子方式進行運算。這種量子計算機與早期的氣態(tài)、液態(tài)系統(tǒng)不同，固態(tài)量子計算機能很容易地放大或縮小，有望成為未來的量子計算方式的代表。