导读


“钻石恒久远,一颗永流传。”然而,大家可能没想到,钻石中的瑕疵,对于制造量子计算机来说,具有极高的价值。今天,我们通过美国科学家的最新创新成果,一起看看钻石中的瑕疵是如何用于量子位制造的,以及科学家采用什么新方法精准地制造这些瑕疵的。


关键字

量子计算机钻石光学

背景


今天,我们要介绍的前沿创新技术,涉及两个重要的概念“钻石”以及“量子计算机”。那么,这看似不相关的两项事物,是如何联系到一起的呢?


首先,我们还是先介绍量子计算机和钻石的背景知识,然后再通过今天介绍的最新创新技术,以及对其进行深入地技术分析,一步一步向大家阐述清楚。


  • 量子计算机


量子计算机,并不是一个陌生话题。之前,笔者在多篇文章中都有过介绍,例如:声子计算机:计算机技术未来发展的新希望!》一文,曾介绍过量子计算机和普通计算机的本质差异。所以,这里就不再赘述量子位、比特位、量子叠加、量子纠缠这些概念了,有兴趣的朋友可以参考一下笔者以往的文章。


简单地说,量子计算机利用了量子物理的“量子叠加”和“量子纠缠”效应,将信息存储在“量子位”中,达到超快速的并行计算能力,并且这种能力随着量子位数目的增加,呈指数方式增长。所以,量子计算机较传统计算机,特别是处理特殊的计算问题方面,速度会有飞跃式提升。

未来,量子计算机将应用在超级计算、信息处理、人工智能、大数据、信息安全等领域,并且具有无可比拟的优势。因此,世界各国都将量子计算机视为重点发展的战略前沿技术,不断攀登量子计算机技术的高峰。


接下来,我们还是说点比较贴近工程实践的内容,也就是如何制造量子计算机。一般来说,科学界会采用超导和光子的办法,但是目前这些方法有一个重要瓶颈,就是需要极低的温度条件


  • 钻石

所以,科学家一直在寻找新材料,能够在室温条件下,制造出量子位,并进行强大的量子计算。这种材料是什么呢?



它就是钻石。


钻石,其实原始材料也就是天然矿物“金刚石”,它是在高温、高压条件下形成的碳元素单质晶体。在金刚石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。


下面这一幅图,向我们展示了金刚石和其同素异形体:石墨,在内部碳原子排列方式上的差异,以及外表物理特征的差异:一个光亮坚硬,一个乌黑柔软。


(图片来源于:维基百科)


钻石具有纯净明洁、光芒四射、硬度极高等卓越特性,所以象征着爱情和忠贞,往往成为男女之间的定情信物。


但是科学家研究发现,钻石虽然极度纯净,但也并非完美无瑕。然而,正是这种瑕疵,使得钻石在量子计算机,特别是量子位制造方面,具有极高的价值。


那么,为什么钻石的瑕疵和量子位有什么关系呢?在这篇文章中的技术章节中,笔者会向大家说明。

创新

(图片来源于:麻省理工学院)

我们今天要介绍的创新成果,就和钻石的瑕疵相关。简单的说,这些纳米级的原子瑕疵,可具有量子位功能。然而,在复杂的钻石结构中,精准地定位这些瑕疵,对于钻石量子计算机来说十分重要。


美国麻省理工学院、哈佛大学、桑迪亚国家实验室的研究人员在这方面进行了创新探索,他们开发出了一种全新技术,能够有目标地创建瑕疵,较之前的方法更加简单和精准。


这篇论文有15名合著者,其中7名来自麻省理工学院,包括Englund、文章的第一作者Tim Schröder,以及Edward BielejecMikhail Lukin等人。他们的论文发表在昨天的《自然通信》杂志上。


在实验中,通过这项技术产生出的瑕疵,平均来说,在理想位置50纳米范围之内。麻省理工学院电气工程和计算机科学专业的教授,团队的领头人 Dirk Englund 说:


“处理量子信息的理想方案是创建一个光学电路,让光子量子位能够来回穿梭,然后在你需要的地方放置一个量子内存。我们几乎达到了这个目标。这些发射体近乎完美。”


技术


为了让大家更加深入地了解这项创新,下面我们对于技术的重点,做一些详细说明。


首先,介绍一下钻石的瑕疵和量子位有什么关系。


这项研究中介绍的量子位是基于钻石瑕疵的。它结合了两个重要概念:第一,“空位”,这是钻石晶格中的一个位置,本来此位置上应该有一个碳原子,但是它却消失了;第二,“掺杂物”,这也就是说除了碳原子以外,其他物质的原子在晶格中被发现。正是由于“空位”和“掺杂物”两个概念相结合,创造了“空位”和“掺杂物”的“中心”,从而可以捕获自由电子。这些电子的磁定位,或者说是“自旋”,可能会产生叠加态,从而形成量子位。


接下来,我们要介绍量子计算机一个的经典老问题,即如何读取量子位的信息。


钻石瑕疵提供了一个简单的解决方案,因为它们是一种自然的光线发射体。实际上,由钻石瑕疵激发出的光粒子,能够保持量子位的叠加态,所以他们能在量子计算设备之间传递信息。


然而,目前对于利用钻石的瑕疵制造量子位,科学界研究最多的就是氮-空位中心技术。


例如,2013年,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)固态量子信息与计算实验室的潘新宇副研究员小组在国内率先开展基于氮-空位中心量子计算研究。(参考资料【3】)。


金刚石氮空位中心电子自旋和近邻13C核自旋构成的双比特系统以及用动力学解耦脉冲来引导系统演化。
(图片来源于:参考资料【3】)

这种技术比其他候选的量子位技术,保持叠加态的时间更长。但是,它激发的光线频谱相对较宽,所以会带来测量方面的不准确性,可是这种测量正是量子计算所依赖的。


为了解决以上问题,在这篇研究论文中,研究人员介绍了一种新的方案:硅空位中心。


(图片来源于:参考资料【2】)


它发出光线的频谱十分狭窄。然而,它们并不是天生地具有叠加态,理论显示将他们的温度冷却至毫开尔文范围(绝对零度以上的小数)之内的时候,能够解决这个问题。(然而,氮空位中心量子位需要冷却至4开尔文左右。)


接下来,我要介绍一下这项研究所采用的相关制造方法。


为了使量子位变得可读,量子位发出的光线信号必须经过放大处理,然后还必须通过引导和重定位,才能进行相关运算。所以,这就是为什么精准放置这些瑕疵显得十分重要,这里有两种候选方法:


  • 第一种方法,将光学电路的蚀刻到钻石中,然后再在确当的位置嵌入瑕疵;

  • 第二种方法,随机创造瑕疵,再在其附近构造光学电路;


显然,第一种方法要更加容易达到精准放置瑕疵的目标。


所以,科研人员首先将人造钻石刨平,直到达到仅仅只有200纳米的厚度。然后,他们将光学腔体蚀刻到钻石表面,这样不仅增加了由缺陷激发出的光线亮度,同时缩短了发射时间。


随后,钻石被送往桑迪亚国家实验室,该实验室的研究团队已经定制了一种商用设备:“纳米离子注入机”,它可以喷射出硅离子流。桑迪亚国家实验室的研究人员向钻石中的每个光学腔体发射了20到30个硅离子

(图片来源于:参考资料【2】)

这时,只有2%的腔体具有硅空位中心,研究人员下一步目标就是要创造更多的硅空位中心


麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发出了一种通过电子束爆破钻石的工艺,创造出更多的空位,然后将钻石加热到1000摄氏度,这样可以使得空位沿着晶格运动,从而让他们能够和硅原子结合。


价值


通过这两种工艺处理过钻石以后,硅空位中心的产量增加了十倍,达到20%。总体来说,重复这一过程,还将进一步增加硅空位中心的产量。


当研究人员分析硅空位中心之后,他们发现硅空位中心位于空腔边缘附近,大约50纳米范围内的地方。这样使得发射光亮度只有差不多85%到90%,但是这仍然非常好的结果。


斯坦福大学电气工程教授 Jelena Vuckovic,一直在进行纳米光子和量子光学的研究。我们看看他对于这项创新的评价:


“这是一个十分出色的成果。我希望这项技术可以超过50纳米,因为50纳米的位置误差,将会降低光与物质相互作用的强度。但是,这已经是朝着这一目标的重要一步。并且,50纳米的精度肯定要比完全不控制位置的好,我们平时做这些实验室时是不控制位置的,我们从随机放置发射体开始,然后制造谐振器。”

参考资料


【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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新型量子计算技术:基于钻石中的硅空位中心!
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