鑽石量子晶片突破：量子計算邁向新里程碑

荷蘭QuTech的研究團隊在量子計算領域取得重大突破，他們成功在鑽石晶片上實現了高精度的量子閘，錯誤率低至0.001%。這項成果標誌著量子計算技術邁向可擴充套件性的一大步，未來有望解決傳統電腦無法處理的複雜問題。

量子計算機的運作依賴於一系列基本操作，稱為量子閘。為了確保量子計算機的可靠性，這些閘必須具備極高的精度，每次操作的錯誤率通常需低於0.1%至1%。只有在如此低的錯誤率下，量子糾錯技術才能有效運作，從而實現精確計算。研究團隊利用超純鑽石和先進的閘設計，克服了以往技術的限制，並透過長時間的操作序列測試，證明瞭這些閘的穩定性。

鑽石中的自旋量子位元（qubit）是一種極具潛力的技術。這些量子位元利用鑽石晶格中原子缺陷的電子和核自旋，例如當氮原子取代碳原子時形成的缺陷。這種技術具有多項優勢：可以在相對較高的溫度下運作（最高達10開爾文），能有效遮蔽環境噪音，並且能自然地與光子互動，因此非常適合用於建構量子網路。然而，在此之前，使用鑽石自旋實現一整套低錯誤率的量子閘仍是一大挑戰。

QuTech的研究團隊成功展示了基於鑽石量子晶片的高精度通用量子閘。他們使用了一個由兩個量子位元組成的系統，一個由缺陷中心的電子自旋形成，另一個由其核自旋形成。在這個雙量子位元系統中，每種閘的錯誤率均低於0.1%，最佳閘的錯誤率甚至達到0.001%。

研究團隊透過系統性地消除錯誤來源來實現如此高的精度。主要作者Hans Bartling表示：「第一步是使用超純鑽石，因為碳-13同位素濃度較低，能減少噪音。第二步則是設計閘，仔細將自旋量子位元彼此隔離，並減少與環境中剩餘噪音的互動。」此外，團隊還採用了一種稱為『閘集斷層掃描』的方法，來精確描述閘的特性並最佳化其引數。

最終，研究團隊透過執行一個包含大量閘操作的人工演算法來測試這些量子閘及其特性。在800次閘操作後，結果與團隊對單個閘的預測完全一致，這表明閘操作不僅精確，且被充分理解。

儘管高精度通用閘是實現量子計算的關鍵前提，但要邁向大規模計算仍有很長的路要走。研究負責人Tim Taminiau指出：「我們的演示僅基於雙量子位元系統和特定型別的缺陷。未來的挑戰在於，當我們轉向晶片級整合光學和電子學，並擴充套件到更多量子位元時，如何維持並進一步提升閘的品質。」

QuTech及其與富士通的合作正致力於實現更大規模的處理器。團隊採取全棧式方法，不僅研究改進的量子位元，還包括所需的控制電子學、可擴充套件的製造方法以及新型量子計算機架構。Taminiau強調：「要實現下一個重大突破，需要科學家、工程師和產業界的共同努力。」

參考文獻：H.P. Bartling等人，《鑽石自旋量子位元的通用高保真量子閘》，2025年3月21日，《Physical Review Applied》。DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.034052