在打造實用型量子計算機的道路上，美國麻省理工學院、哈佛大學和桑迪亞國家實驗室研究人員組成的龐大團隊取得重要進展。他們的研究提供了一種新的方法，把金剛石作為光學電路的基礎。簡單來說，光學電路就是操縱光而非電流的計算機芯片。
除了炒作和誤解以外，量子計算還面臨著基本上停留於理論層面的問題。設計出真正的量子計算機很難，因為它本來就很難。我們試圖利用量子世界一個奇特且脆弱的屬性，也就是粒子能同時具有看似對立的兩種物理狀態：上和下，左和右，是和不是。
如果只是利用這種屬性，創造出一種基本的電子元件，比如晶體管，這並不難。但維持和操縱量子位（由粒子對立狀態組成的信息單位）真的很難。僅僅是觀察一個量子系統都會擾亂它，如果那個系統碰巧在對信息進行編碼，那麼信息就會丟失掉。
金剛石原子的格狀結構近乎完美，這為研製量子電路提供了希望。一個量子位被存儲在金剛石結構的一個“缺陷”中。在井然有序的金剛石結構中，有時會丟失一個原子。另一個原子會進入這個空位，取代丟失的那個碳原子。這個金剛石缺陷可能擁有與它相關聯的一些自由電子，而且信息就存儲在這些粒子中（同時信息以光子的形式在金剛石周圍傳播）。
重要的是，這一小群電子會自然而然地發出能夠反映量子疊加（同時具有多個狀態的粒子或粒子系統）的光子。這就是在不造成干擾的情況下從量子位提取信息的方法。
挑戰在於為金剛石結構中的那個碳原子找到和插入理想的替代品。這個替代品被稱為“摻雜物”。這就是此項新研究的課題。
對於利用金剛石缺陷的光學電路，過去被研究最多的摻雜物是氮原子。氮原子很穩定，足以維持所需的量子疊加，但它能發出的光的頻率有限。這就好比是有了一個完美的加密系統，但只能用很少的一點字符來傳遞信息。
而本文開頭提到的新研究，是探索用硅原子作為摻雜物。嵌入金剛石格狀結構的硅原子能發出更窄的波長帶，如同擁有更高的分辨率。但更準確代表信息的代價是更加不穩定的量子態。因此，金剛石必須保存在非常接近絕對零度的環境下。而氮狀態可以承受比絕對零度高四度的溫度。在這兩個例子中，我們說的都不是量子電腦。
研究人員通過兩步把硅原子嵌入金剛石。首先，用激光轟擊金剛石，創造出空位，然後加熱金剛石，直至空位開始在格狀結構中移動，和硅原子結合。結果就是一個大量硅原子被嵌入到正確位置的格狀結構。
這個方法很有發展前景，有助於我們“基於耦合到納米光子設備的半導體缺陷，創造出可靠高效的光-物質界面”，也就是量子計算機要用到的東西。
翻譯：于波
來源：Motherboard
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