新技术将使基于钻石的量子计算机受益

工程师们向大规模生产的量子计算机迈进了一步

在一项新发表的研究中,来自哈佛大学、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院揭示了一种在金刚石材料中制造靶向缺陷的新技术。这种定位量子比特的新方法比之前的方法更简单、更精确,可能对基于钻石的技术有利量子计算设备。

量子计算机是一种实验性设备,可以在一些计算问题上提供大幅加速。一种有前景的方法是利用金刚石材料中的纳米级原子缺陷。

但实际应用中,基于钻石的量子计算设备需要具备在复杂的钻石结构中精确定位缺陷的能力,这些缺陷可以发挥量子比特的作用,量子比特是量子计算中信息的基本单位。在当今的自然通讯美国麻省理工学院(MIT)、哈佛大学(Harvard University)和桑迪亚国家实验室(Sandia National laboratory)的一组研究人员报告了一种制造定向缺陷的新技术,这种技术比之前的技术更简单、更精确。

在实验中,该技术产生的缺陷平均在距离理想位置50纳米以内。

“在量子信息处理中,最理想的场景是制造一个光电路来穿梭光子量子位元,然后将量子存储器放置在你需要的任何地方,”麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授德克·英格伦说。“我们在这方面几乎已经做到了。这些发射器几乎是完美的。”

这篇新论文有15位共同作者。其中七人来自麻省理工学院,包括英格伦和第一作者蒂姆·施罗德,他是英格伦实验室的博士后,现在是哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的助理教授。爱德华·别列耶克(Edward Bielejec)领导了桑迪亚团队,物理学教授米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)领导了哈佛团队。

吸引人的缺陷

量子计算机在很大程度上仍是假定性的,它利用的是量子“叠加”现象,即小粒子在同一时间处于相互矛盾的物理状态的违反直觉的能力。例如,一个电子可以说同时处于不止一个位置,或者具有两个相反的磁性方向。

传统计算机中的一个位可以表示0或1,而一个“量子位”或量子位可以同时表示0、1或两者。从某种意义上说,它是指一串量子位元同时探索解决一个问题的多种解决方案的能力,这个问题承诺了计算的加速。

金刚石缺陷量子位是由“空位”组合而成的,“空位”是金刚石晶格中本应存在碳的位置原子但是没有一个,还有“掺杂剂”,它是除了碳以外的其他物质的原子,它们已经找到了进入晶格的方法。掺杂剂和空位一起形成掺杂-空位“中心”,自由电子与之相关联。电子的磁方向,或“自旋”,可以叠加,构成了量子位。

在设计量子计算机时,一个长期存在的问题是如何从量子位中读取信息。金刚石缺陷提供了一个简单的解决方案,因为它们是自然光发射器。事实上,钻石缺陷发出的光粒子可以保存量子比特的叠加,从而在量子计算设备之间移动量子信息。

硅开关

目前研究最多的金刚石缺陷是氮空位中心,它的叠加时间比其他候选量子位都长。但它发出的光的频率范围相对较宽,这可能导致量子计算所依赖的测量结果不准确。

在他们的新论文中,麻省理工学院、哈佛大学和桑迪亚大学的研究人员转而使用了硅空位中心,这种中心发出的光频率波段非常窄。它们也不能自然地保持叠加,但理论表明可以将它们冷却到毫开尔文范围内的温度——比毫开尔文高几分之一绝对零度-可以解决这个问题。(氮空位中心量子比特需要冷却到相对温和的4开尔文。)

然而,为了使其可读,来自发光量子位元的信号必须被放大,而且必须能够引导它们,并将它们重组以执行计算。这就是为什么精确定位缺陷的能力很重要:将光学电路蚀刻到钻石上,然后将缺陷插入到正确的位置,要比随意制造缺陷然后在缺陷周围构造光学电路容易得多。

在这篇新论文中描述的过程中,麻省理工学院和哈佛大学的研究人员首先将一颗人造钻石切割到只有200纳米厚。然后他们在钻石表面蚀刻出光学腔。这些增加了缺陷发出的光的亮度(同时缩短了发射时间)。

然后他们把钻石送到桑迪亚团队,他们定制了一种叫做纳米植入器的商业设备,可以喷射出硅离子流。桑迪亚大学的研究人员向钻石的每个光学腔内发射20到30个硅离子,然后将其送回剑桥大学。

移动空缺

在这一点上,只有大约2%的空腔有硅空位中心。但麻省理工学院和哈佛大学的研究人员也开发出了一种方法,用电子束爆破钻石,产生更多的空位,然后将钻石加热到1000度左右摄氏这使得空位在晶格周围移动,这样它们就可以与硅原子结合。

研究人员对钻石进行这两种处理后,产量增加了十倍,达到20%。原则上,重复的工艺应该会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的位置时,他们发现它们距离空腔边缘的最佳位置只有大约50纳米。这使得发射的光达到了85%到90%的亮度,这仍然很好。

研究纳米光子学和量子光学的斯坦福大学电子工程教授Jelena Vuckovic说:“这是一个极好的结果。”“我希望这项技术可以改进到50纳米以上,因为50纳米的错位会降低光-物质相互作用的强度。但这是朝着这个方向迈出的重要一步。50纳米的精度当然比完全不控制位置好,这是我们在这些实验中通常做的,我们从随机定位发射器开始,然后制作谐振器。”

《自然通讯》8,文章编号:15376 (2017)doi:10.1038/ncomms15376

3评论关于“基于钻石的量子计算机将受益于新技术”

  1. 在量子计算机引入之后,下一个问题是如何防止人工智能计算机接管我们。

  2. 当研究人员分析硅空位中心的位置时,他们发现它们距离空腔边缘的最佳位置只有大约50纳米。这使得发射的光达到了85%到90%的亮度,这仍然很好。

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