如何制造量子比特

第二:钻石是工程师最好的朋友。

2014年5月19日-由:凯瑟琳德比郡

如在第1部分在这个系列中，量子信息处理可以为计算中的许多重要问题提供优雅的解决方案。然而，实际上建造一台量子计算机并不是那么容易。

第1部分使用孤立的氢分子作为双量子比特系统模型。分子轨道很容易解释，而且很容易被成熟的技术监测。然而，可行的量子比特技术还需要一些其他特征。一些系统需求包括：

量子态必须是稳定的。也就是说，它必须有可能保存足够长的时间来实际进行计算。
所使用的量子比特技术必须是可扩展的。必须能够创建大量相同的量子位，并在它们之间传播信息。特别是，量子位必须能够在保持量子态叠加的同时，在距离上相互作用。
必须有一组操作来操纵量子态，而不会将其坍缩为一次测量。
必须能够在计算开始时定义量子比特的初始状态，并在计算结束时测量结果。

所有这些要求都具有挑战性，而且它们在许多方面相互矛盾。特别是，稳定性和可伸缩性的需求是冲突的:维护大型系统的稳定性更加困难。

为了使量子比特稳定，重要的是将其与可能破坏量子态的外部影响隔离开来。热振动尤其有害，因此许多拟议的设计在低温下运行。其他的设计依赖于周围材料的刚性晶格的稳定性。一个重要的优点是“相干时间”，即在外界影响使其退化之前，制备好的量子态可以保持的时间长度。

例如，一个引起人们极大兴趣的结构是金刚石中的氮空位中心。在金刚石中，就像在硅中一样，每个原子都与它的四个最近的邻居结合在一起。如果碳原子被氮原子取代，氮碳键会比周围的碳碳键弱一些。去除另一个碳原子，产生一个空位，结果是一个氮空位对(N-V)和一个额外的电子，被困在一个刚性的碳晶格中。

氮空位中心的物理学超出了本文的范围-可以找到一个全面的审查在这里-就我们的目的而言，观察中心具有复杂的光学和电学行为就足够了。适当波长的光可以用来初始化和测量相关电子的自旋。

点缺陷通常是有吸引力的量子比特候选者，因为它们倾向于表现得像孤立的原子，而且因为半导体行业已经开发了许多测量和操纵它们的工具。金刚石和碳化硅等几种材料尤其有前途。根据首席技术官丹尼尔·特威臣的说法，元素六可以生长6英寸直径的金刚石晶圆，2至3毫米厚，具有万亿分之一缺陷控制。金刚石是一种宽间隙半导体，允许在量子位的激发态和基态之间发生明显的过渡。此外,¹²C是自然界中最丰富的碳同位素，没有核自旋，使与N-V中心相关的电子与周围碳晶格之间的耦合最小化。即使在室温下，研究人员也已经实现了N-V量子态的近毫秒相干时间。这对于量子计算来说可能已经足够了，因为各种纠错方法可以在量子态退相干之前刷新它。

天然碳也含有约1.1%¹³C的核自旋是1/2，因为它有额外的中子。研究人员通常会同时植入氮和¹²C来最小化这些自旋的影响。共植碳还增加了空位密度，从而提高了N-V中心的产量。

N-V中心提供了一个特别有吸引力的电学和光学性质的组合。为了在量子位之间传输数据，任何量子计算架构都需要一种机制，允许相互作用超过量子效应所能支持的距离。光就是这样一种机制，N-V中心提供了自旋保持和自旋极化的光学跃迁。也就是说，Twitchen解释说，光既可以用来传输量子比特状态，也可以用来初始化这种状态。

所有这些特征使得N-V中心作为一种潜在的量子比特技术非常有吸引力，并激发了大量的研究工作。因此，通往基于钻石的量子计算机的路线图开始出现。这并不是说所有的问题都解决了。可扩展量子计算机的主要要求之一是能够构造相同的量子位数组。衡量这种能力的一个标准是单个量子比特产生的效率。只有一小部分(N)注入的氮原子实际上导致N- v中心的形成。因此，两个中心相距很近的概率为N²；三个中心的概率是N^3.．同时共植入¹²研究人员仍然认为，C大大提高了产量实现N-V中心对的成品率只有4%。

此外，光在量子位之间的传播将需要广泛的波导和其他光子结构网络。金刚石是极其惰性的，不受大多数蚀刻化学和其他图案技术的影响。离子铣削可以使用，但倾向于石墨化和降解周围的材料。钻石图案仍然是一个公开的挑战。

面对这些障碍，人们对基于N-V中心的量子比特的兴趣仍然存在，这是量子计算实现有多么困难的一个衡量标准。没有哪一种选择更容易。不过，有一种替代方案可能更接近于商业实现。本系列的下一篇文章将讨论超导电路技术，这是D-Wave系统的基础。递波两．