近日， Physical Review Applied期刊上展示了金剛石量子芯片最新成果，由荷蘭量子技術研究所（QuTech） 、富士通和 Element Six 三大機構共同合作，展示了一套完整的具有金剛石自旋量子比特的高精度量子門，其錯誤概率低于 0.1%。盡管仍存在許多挑戰，但能夠執行基本門操作，且錯誤率低于此閾值，滿足了未來大規模量子計算的重要條件。該研究于 2025 年 3 月 21 日發表在《物理評論應用》上。本研究中使用的鉆石量子芯片。圖片來源：QuTech
量子計算機有望解決傳統計算機無法解決的重要問題。量子計算作為新一代計算技術，其巨大的潛力正在逐步展現。與傳統計算機依賴的經典比特（bit）不同，量子計算機使用量子比特（qubits）進行運算。量子比特具備獨特的量子力學特性，使量子計算機可以在短時間內解決傳統計算機無法應對的復雜問題。量子計算的核心在于量子力學中的疊加和糾纏特性。傳統計算機通過0和1的二進制系統進行運算，而量子計算機的量子比特可以同時處于0和1的疊加狀態。這意味著量子計算機能夠在同一時間內處理多種可能性，大幅提升計算速度性允許兩個或多個量子比特之間的狀態彼此關聯，這使得量子計算機能夠在更高效的條件下傳遞和處理信息。
我國科學院院士潘建偉近期也公開表示，量子技術正在不斷形成新的科學前沿，激發革命性的科技創新，孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。
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量子門與鉆石量子芯片
量子計算是通過一系列基本操作（稱為量子門）進行的。
量子計算機要想正常運轉，所有量子門都必須高度精確。門中發生錯誤的概率必須低于閾值，通常為 0.1 到 1% 左右。只有這樣，錯誤才會足夠少，糾錯方法才能成功發揮作用，并確保在有噪聲的組件下進行可靠的計算。
鉆石中的自旋是一種有望用于量子計算的量子比特。這些量子比特由與原子缺陷相關的電子和核自旋組成，例如，鉆石中的氮原子取代了碳原子。它們在相對較高的溫度下運行，最高可達 10 開爾文，并且能夠很好地抵御噪音。此外，它們與光子（光的基本粒子）的天然聯系使得量子網絡上的分布式計算成為可能。然而，實現一套完整的具有足夠低錯誤率的量子門至今仍是一個挑戰。代爾夫特理工大學、量子技術研究所 QuTech 的研究人員現已使用金剛石量子芯片演示了一套高精度通用量子門。研究人員使用了一個雙量子比特系統，一個由缺陷中心的電子自旋形成，另一個由其核自旋形成。這個雙量子比特系統中每種門的運行誤差都低于 0.1%，最好的門甚至可以達到 0.001% 的誤差。“為了實現如此高精度的門控，我們必須系統地消除誤差源。第一步是使用碳-13同位素濃度較低的超純鉆石，因為這些同位素會產生噪音，”主要作者 Hans Bartling 說道。第二個關鍵步驟是設計門控，小心地將自旋量子比特彼此分離，并與環境中剩余噪音的相互作用分離。最后一個挑戰是找到能夠可靠地表征門并優化其參數的工具。為此，該團隊采用了一種稱為“門集斷層掃描”的方法，該方法提供了門的完整量子描述。“我們的表征必須提供有關門錯誤的完整和精確信息，因為這使我們能夠系統地發現缺陷并優化所有門參數，”合著者 Jiwon Yun 說。
最后，研究人員通過執行具有大量門序列的人工算法來測試量子門及其特性。經過 800 次門操作后，可以根據團隊對單個門的了解準確預測結果，這表明門操作現在既精確又易于理解。
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未來布局
雖然高精度通用門是量子計算的關鍵先決條件，但距離大規模計算還有很長的路要走。“我們的演示是在雙量子比特系統上使用一種特定類型的缺陷，”負責這項研究的蒂姆·塔米尼奧說。“一個關鍵的挑戰是在轉向芯片級集成光學和電子學并擴展到更多量子比特時保持并進一步提高門質量。”
實現這種更大的處理器是 QuTech 及其與富士通合作的研究重點。該團隊采用全棧方法，不僅研究改進的量子比特，還研究所需的控制電子器件、可擴展的制造方法和新型量子計算機架構。“邁出下一步需要將科學家、工程師和行業聚集在一起，”Taminiau 說。
HP Bartling 等人，Universal high-fidelity quantum gates for spin qubits in diamond（金剛石中自旋量子比特的通用高保真量子門），Physical Review Applied (2025)。DOI ：10.1103/PhysRevApplied.23.034052
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