科学家在钻石内构建量子计算机

据报道，一个由美国南加利福尼亚大学、荷兰代尔夫特理工大学等机构的研究人员组成的国际小组利用钻石中的瑕疵作为量子比特，构建了一种钻石内的量子计算系统，并包含有使该计算机免于退相干的保护机制。相关论文发表在最近出版的 《自然》杂志上。

钻石作为珠宝，其所含的杂质越多，价值就越小，但研究中要利用的却是杂质本身。有一种钻石的瑕疵是氮原子取代了碳原子及邻近的晶格空位，形成了氮晶格空位中心 (nitrogen-vacancy center)，研究小组构建 “钻石内”量子计算机用的就是这种钻石。该计算系统有两个量子比特，由亚原子粒子构成。游离的氮原子核和多出的一个电子分别成为第一和第二个量子比特。更准确地说，是用它们的“自旋”来作为量子比特。

在传统的计算机中，一个比特只能编码一个0或一个1；而量子比特能同时编码一个0和一个1，这种 “迭加”的性质，再加上量子 “隧道效应”穿越障碍的能力，让量子计算机在执行最优化计算时比传统的计算机要快得多。

电子比原子核更小，计算更快，但退相干也更快；以原子核为基础的量子比特更大，计算更慢却更稳定。南加利福尼亚大学的丹尼尔?利达教授说： “一个原子核退相干的时间会更长，处于毫秒级，这在量子水平可以说是非常‘迟缓’的。”尽管以前也有固态量子计算系统，但新系统是首次加入了退相干保护机制，它通过微波脉冲使电子自旋方向保持不断的转换。

研究小组还用格鲁弗算法测试了该 “钻石内系统”是否以量子方式计算。这种算法是贝尔实验室的洛弗?格鲁弗于1996年发明的，可用于对一个未分类数据库的查找，在量子计算领域也很有用。比如在一个电话号码簿中，利用一个号码寻找某个名字，有时你能一下子发现要找的目标，而大多数时候，可能要翻遍整个号码簿。如果要进行无数次这种查询，平均下来，那么每次找到目标都要翻遍一半的号码簿。从数学上讲，做出正确选择的概率为1/2。

如果号码簿上有4个可选号码，普通计算机平均每次发现正确选项要找两次；而一台拥有 “迭加”性能的量子计算机每次发现正确目标只要一次。这背后有复杂的数学理论的支持。在实验中，研究人员用他们的 “钻石箱”搜寻一个未分类的4个选项的序列，在第一次就找到正确选项的概率达到95%。

研究人员表示，这表明该系统虽然还不十分完善，但确实是以量子方式进行运算。这种量子计算机与早期的气态、液态系统不同，固态量子计算机能很容易地放大或缩小，有望成为未来的量子计算方式的代表。