科學家在鑽石內構建量子電腦

http://big5.ce.cn/gate/big5/intl.ce.cn/qqss/201204/06/t20120406_23217581.shtml

本報訊據物理學家組織網4月5日報道，一個由美國南加利福尼亞大學、荷蘭代爾夫特理工大學等機構研究人員組成的國際小組利用鑽石中的瑕疵作為量子比特，構建了一種鑽石內的量子計算系統，並包含有使該電腦免於退相干的保護機制。相關論文發表在4月5日的《自然》雜誌上。

鑽石作為珠寶，其所含雜質越多價值越小，但研究中要利用的卻是雜質本身。有一種鑽石的瑕疵是氮原子取代了碳原子及鄰近晶格空位，形成了氮晶格空位中心(nitrogen-vacancy center)，研究小組構建“鑽石內”量子電腦用的就是這種鑽石。該計算系統有兩個量子比特，由亞原子粒子構成。游離的氮原子核和多出的一個電子分別成為第一和第二個量子比特。更準確地說，是用它們的“自旋”來作為量子比特。

在傳統電腦中，一個比特只能編碼一個0或一個1；而量子比特能同時編碼一個0和一個1，這種“迭加”的性質，再加上量子“隧道效應”穿越障礙的能力，讓量子電腦在執行最優化計算時比傳統電腦要快得多。

電子比原子核更小，計算更快，但退相干也更快；以原子核為基礎的量子比特更大，計算更慢卻更穩定。南加利福尼亞大學教授丹尼爾·利達說：“一個原子核退相干的時間會更長，處於毫秒級，這在量子水準可以說是非常‘遲緩’的。”儘管以前也有固態量子計算系統，但新系統是首次加入了退相干保護機制，它通過微波脈衝使電子自旋方向保持不斷地轉換。

研究小組還用格魯弗演算法測試了該“鑽石內系統”是否以量子方式計算。這種演算法是貝爾實驗室的洛弗·格魯弗于1996年發明，可用於對一個未分類數據庫的搜尋，在量子計算領域也很有用。比如在一個電話號碼簿中，利用一個號碼尋找某個名字，有時你能一下子發現要找的目標，而大多數時候，可能要翻遍整個號碼簿。如果要進行無數次這種查詢，平均下來，每次找到目標都要翻遍一半的號碼簿。從數學上講，做出正確選擇的概率為1/2。

如果號碼簿上有4個可選號碼，普通電腦平均每次發現正確選項要找兩次；而一台擁有“迭加”性能的量子電腦每次發現正確目標只要一次。這背後有複雜的數學理論支援。在實驗中，研究人員用他們的“鑽石箱”搜尋一個未分類的4個選項的序列，在第一次就找到正確選項的概率達到95%。

研究人員表示，這表明該系統雖然還不十分完善，但確實是以量子方式進行運算。這種量子電腦與早期的氣態、液態系統不同，固態量子電腦能很容易地放大縮小，有望成為未來的量子計算方式的代表。（常麗君）