

要构建量子计算机,科学家们首先必须构建一个可控且可测量的量子比特(qubit),(出于一些非常量子化的原因,这相当困难)。但哈佛大学的一组物理学家克服了一些关键障碍,将实验室培育的钻石中的杂质变成了能够 在室温下存储信息近两秒钟——这在量子相干时间上是永恒的。
目前正在开发的大多数量子计算系统——我们最近 写过其中一些——都依赖于用激光捕获离子的复杂系统,或者在实验室中创建“人造原子”然后将其冷却到接近绝对零度。这是艰苦且资源密集型的工作。哈佛团队最大的创新在于,他们打破了之前相干时间的记录——量子系统能够保持可读信息的时间。而且他们是在室温下做到的。
为了不深入探讨量子计算这个复杂、令人困惑且在很大程度上违反直觉的领域——姑且认为研究人员能够将钻石基量子系统先前的一个缺点转化为他们的优势。之前的工作已经利用了钻石中氮空位(NV)中心的量子自旋来创建量子比特,但发现NV中心由于相干时间短(仅持续百万分之一秒)而无法用作工作量子比特。
原因:钻石中的一种杂质,碳-13。钻石晶体中绝大多数原子是碳-12,它们没有量子自旋。但附近碳-13原子的自旋会与NV相互作用,导致相干时间短。因此,哈佛团队颠覆了这一体系,转而使用碳-13作为量子比特。在英国人造钻石专家的帮助下,他们制造了99.99%的碳-12钻石,并用氮轰击以创建一个NV中心。
然后,他们反向操控该系统,将信息编码在附近碳-13原子的自旋中。其相干时间要长得多——比之前的工作好六个数量级,接近两秒钟——而且由于碳-13与NV中心之间的相互作用导致NV模仿碳-13,他们能够通过监测NV来准确测量碳-13的状态。
这绝不意味着一个工作的量子计算机已经问世,但它是朝着实现一个在室温下工作的可行量子比特迈出的一步。研究人员认为他们面临的大多数问题都是技术性的,因此他们有理由相信可以将相干时间延长到几分钟,甚至在某个时候延长到几个小时。