原子級材料能否加速「量子技術」的發展？

「量子技術」利用量子疊加和糾纏的獨特現象來編碼和處理信息，對從通信到感測和計算的廣泛信息技術具有潛在的深遠好處。然而，發展這些技術的一個主要挑戰是量子現象是非常脆弱，只有少數幾個物理系統已經被識別出來，在這些系統中，量子現象存在的時間足夠長，並且可以充分控制，從而發揮作用。金剛石等材料中的原子缺陷就是這樣一個系統，但缺乏在原子尺度上製造和工程晶體缺陷的技術，迄今為止進展有限。

一組科學家在《Optica》上發表的一篇論文中證明了這種新方法的成功。它們包括金剛石(碳)晶格中的氮雜質，該金剛石(碳)晶格位於空位或空位附近。NV中心是通過將一系列超快激光脈衝聚焦到金剛石上而形成，其中第一個脈衝的能量足夠高，可以在激光聚焦中心產生空位，隨後的脈衝能量較低，可以激活空位，直到其中一個脈衝與氮雜質結合，形成所需的複合物。這項新研究是由牛津大學材料系的傑森·史密斯教授、牛津大學工程科學系的帕特里克·索爾特博士和馬丁·布斯教授以及華威大學同事共同領導的一個團隊進行。

這是在英國量子技術項目的量子計算技術中心NQIT研究項目內進行，得到了提供鑽石樣本的英國戴比爾斯公司支持。科學家們的新方法包括使用一個靈敏熒光監測器來檢測從焦區發出的光，這樣就可以根據觀察到的信號積極地控制這一過程。通過結合本地控制和反饋，新方法促進了單個NV中心陣列的生產，每個站點上只有一個顏色中心——這是構建可伸縮技術的關鍵能力。它還允許精確定位缺陷，這對集成設備的工程設計非常重要。快速一步的過程很容易自動化，每一個NV中心只需幾秒鐘的創建。

激光刻蝕金剛石中單個氮空位缺陷，具有近單位產率。圖片：Oxford University

馬丁?布斯教授表示：鑽石色彩中心為開發緊湊而強大的量子技術提供了一個非常令人興奮的平台，而這一新工藝可能會改變所需材料工程的遊戲規則。優化這一過程還有很多工作要做，但希望這一步將有助於加快這些技術的交付。科學家們相信，這種方法最終可能被用於製造厘米大小的鑽石晶元，其中包含10萬個或更多的NV中心，作為通往量子技術「聖杯」(一種通用的容錯量子計算機)的一條道路。

傑森?史密斯教授表示：第一台量子計算機現在正開始出現，但這些機器雖然令人印象深刻，但它們只觸及了可能實現的目標的皮毛，所使用的平台可能沒有足夠的可擴展性，無法實現量子計算必須提供的全部能力。鑽石色中心可以提供一個解決這個問題的方法，將高密度的量子位元封裝在一個固態晶片上，用光學方法將它們互相糾纏，形成量子計算機的核心。能夠將NV中心寫入具有高度控制的鑽石中，是實現這些設備和其他設備的關鍵第一步。

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