據(jù)報(bào)道，一個(gè)由美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的國(guó)際小組利用鉆石中的瑕疵作為量子比特，構(gòu)建了一種鉆石內(nèi)的量子計(jì)算系統(tǒng)，并包含有使該計(jì)算機(jī)免于退相干的保護(hù)機(jī)制。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的 《自然》雜志上。

鉆石作為珠寶，其所含的雜質(zhì)越多，價(jià)值就越小，但研究中要利用的卻是雜質(zhì)本身。有一種鉆石的瑕疵是氮原子取代了碳原子及鄰近的晶格空位，形成了氮晶格空位中心 (nitrogen-vacancy center)，研究小組構(gòu)建 “鉆石內(nèi)”量子計(jì)算機(jī)用的就是這種鉆石。該計(jì)算系統(tǒng)有兩個(gè)量子比特，由亞原子粒子構(gòu)成。游離的氮原子核和多出的一個(gè)電子分別成為第一和第二個(gè)量子比特。更準(zhǔn)確地說(shuō)，是用它們的“自旋”來(lái)作為量子比特。

在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特只能編碼一個(gè)0或一個(gè)1；而量子比特能同時(shí)編碼一個(gè)0和一個(gè)1，這種 “迭加”的性質(zhì)，再加上量子 “隧道效應(yīng)”穿越障礙的能力，讓量子計(jì)算機(jī)在執(zhí)行最優(yōu)化計(jì)算時(shí)比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)要快得多。

電子比原子核更小，計(jì)算更快，但退相干也更快；以原子核為基礎(chǔ)的量子比特更大，計(jì)算更慢卻更穩(wěn)定。南加利福尼亞大學(xué)的丹尼爾?利達(dá)教授說(shuō)： “一個(gè)原子核退相干的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，處于毫秒級(jí)，這在量子水平可以說(shuō)是非常‘遲緩’的。”盡管以前也有固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)，但新系統(tǒng)是首次加入了退相干保護(hù)機(jī)制，它通過(guò)微波脈沖使電子自旋方向保持不斷的轉(zhuǎn)換。

研究小組還用格魯弗算法測(cè)試了該 “鉆石內(nèi)系統(tǒng)”是否以量子方式計(jì)算。這種算法是貝爾實(shí)驗(yàn)室的洛弗?格魯弗于1996年發(fā)明的，可用于對(duì)一個(gè)未分類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的查找，在量子計(jì)算領(lǐng)域也很有用。比如在一個(gè)電話號(hào)碼簿中，利用一個(gè)號(hào)碼尋找某個(gè)名字，有時(shí)你能一下子發(fā)現(xiàn)要找的目標(biāo)，而大多數(shù)時(shí)候，可能要翻遍整個(gè)號(hào)碼簿。如果要進(jìn)行無(wú)數(shù)次這種查詢(xún)，平均下來(lái)，那么每次找到目標(biāo)都要翻遍一半的號(hào)碼簿。從數(shù)學(xué)上講，做出正確選擇的概率為1/2。

如果號(hào)碼簿上有4個(gè)可選號(hào)碼，普通計(jì)算機(jī)平均每次發(fā)現(xiàn)正確選項(xiàng)要找兩次；而一臺(tái)擁有 “迭加”性能的量子計(jì)算機(jī)每次發(fā)現(xiàn)正確目標(biāo)只要一次。這背后有復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論的支持。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員用他們的 “鉆石箱”搜尋一個(gè)未分類(lèi)的4個(gè)選項(xiàng)的序列，在第一次就找到正確選項(xiàng)的概率達(dá)到95%。

研究人員表示，這表明該系統(tǒng)雖然還不十分完善，但確實(shí)是以量子方式進(jìn)行運(yùn)算。這種量子計(jì)算機(jī)與早期的氣態(tài)、液態(tài)系統(tǒng)不同，固態(tài)量子計(jì)算機(jī)能很容易地放大或縮小，有望成為未來(lái)的量子計(jì)算方式的代表。