量子計算的新突破：基于金剛石自旋光子的研究聯盟

    在量子計算的競賽中，一個由28個合作伙伴組成的研究聯盟正在推進一項革命性的項目——"SPINNING—基于鉆石自旋光子的量子計算機"。這個項目在弗勞恩霍夫應用固體物理研究所(IAF)的領導下，旨在開發一種新型量子計算機，它不僅能夠解決現代超級計算機需要數十年才能解決的復雜問題，而且具有更低的冷卻要求、更長的運行時間和更低的錯誤率。

    一、量子計算的挑戰與機遇

    量子計算機的潛力是巨大的，它們能夠在幾秒鐘內完成傳統計算機需要數十年才能完成的計算。然而，實現這一目標的路徑并不明確，每種方法都有其在硬件和軟件方面的優缺點，從可靠性和能耗到與傳統系統的兼容性。

    二、SPINNING項目：鉆石自旋光子量子計算機

    SPINNING項目的核心是開發一種基于自旋光子和鉆石的量子計算機。這種計算機的混合概念提供了更大的可擴展性和連接性，使其能夠靈活地與傳統計算機連接。與其他量子計算方法相比，這種計算機的特點是冷卻要求更低、運行時間更長、錯誤率更低。

    三、技術實現：金剛石晶格中的色心

    研究人員正在利用金剛石的材料特性來開發量子計算平臺。量子比特是利用金剛石晶格中的色心創建的，方法是將電子捕獲在摻雜有氮、硅和氮、鍺或錫的人工晶格缺陷或空位中心之一中。電子自旋通過磁相互作用與相鄰碳同位素的五個核自旋耦合，中心電子自旋隨后可用作可尋址量子比特。

    四、量子處理器的光耦合與糾纏

    SPINNING量子計算機將由至少兩個、最多四個量子比特寄存器組成，這些寄存器將在例如20米的長距離上進行光耦合，從而實現全面的信息交換。中央電子自旋和寄存器之間的光學耦合由光學路由器與光源和讀出檢測器組合實現，核自旋的各個狀態由高頻脈沖控制。

    五、項目進展與成果

    在聯邦教育和研究部(BMBF)的量子計算機演示裝置資助計劃的中期會議上，該聯盟成功演示了兩個各有六個量子比特的寄存器在20米距離上的糾纏，并實現了高平均保真度。此外，項目還實現了中央硬件和軟件以及基于自旋光子的量子計算機外圍設備的重大改進。

    六、技術挑戰與未來展望

    項目結束前剩下的技術挑戰包括進一步開發諧振器設計，以提高可重復性和更精確的對準。同時，研究人員正在進一步改進用于自動控制自旋光子量子計算機路由的軟件。

    SPINNING項目的中期結果與基于超導約瑟夫森結(SJJ)的量子計算機的關鍵指標相比，凸顯了該項目所做工作的價值。自旋光子量子計算機在錯誤率和相干時間方面表現出色，這標志著量子計算領域的一個重要進展。隨著技術的不斷進步，我們有望見證量子計算機在解決復雜問題、推動科學發現和技術創新方面發揮關鍵作用。