MIT利用钻石特性来提升量子运算的稳定性

麻省理工学院（MIT）的研究人员发现，在量子装置内使用合成钻石，可以维持量子运算叠加态特性的稳定性，并在期刊《自然》（Nature）发表相关论文，而MIT的这项发现对研发出可靠的量子电脑迈出重要的一步。

量子运算是一种利用量子逻辑来执行电脑运算的技术，而量子运算的基本单位是量子位元（Qubit），不同于传统的运算位元只会处于0或1的状态，量子位元因为叠加态（Superposition）的特性，可以处于0和1之外的其他状态，而这也是加速量子电脑运算速度的关键。

但是叠加态特性容易受处理器的热能、辐射等干扰，造成量子运算产生错误，要维持量子运算的稳定性并不容易，这也是目前研发大型且通用的量子电脑的主要障碍。

MIT表示，在大多数的工程领域中，维持一个物理系统稳定性的最好方式就是回馈控制，而回馈控制就是以目前所测量的物理系统状态为基础，并在此基础上制作一个控制信号，来维持系统在期望的状态中运作。不过，使用回馈控制的方式来稳定量子系统的问题是，测量量子系统的状态会破坏量子的叠加态。

而MIT的研究人员为了避免破坏量子的叠加态，利用钻石内的氮原子空缺中心（Nitrogen-Vacancy Center in a Diamond）的特性，使用量子控制因子取代传统的控制因子来执行回馈控制。

一颗纯钻石是由碳原子排列成规则的晶体结构所组成，而钻石内的氮原子空缺中心就是，如果碳原子核从晶体结构中遗失，就会造成空缺，且该空缺邻近的一个碳原子被氮原子取代时，便形成氮空位缺陷。

当钻石受到较强的磁场影响时，氮原子空缺中心的电子自旋可以向上、向下，或是2者的量子线性叠加，而这就是形成量子运算的量子位元。另外，根据MIT，因为氮原子空缺中心的量子位元可以和其他量子位元一起执行运算，如果运算过程中出现错误，则会反映在氮原子核的自旋。而MIT研究人员就是透过这样的方式来建立量子运算的回馈系统，并避免破坏量子的叠加态特性。

此外，MIT研究人员也解释，因为氮原子空缺中心量子位元本身的物理结构特色，让合成钻石增加量子运算稳定性所需的离子或原子可以免除使用复杂的硬件来捕捉，且钻石内的氮原子空缺中心可以透过自然光来读取讯息，让氮原子空缺中心量子位元比起其他种类的量子位元来得好。