近日，富士通與荷蘭企業(yè)QuTech（代爾夫特理工大學(xué)旗下企業(yè)）合作，成功展示了用于金剛石自旋量子比特的完整通用量子門組，該研究的自旋量子比特錯(cuò)誤概率低于0.1%，達(dá)到了目前所有量子硬件技術(shù)中的最高保真度。這一突破標(biāo)志著金剛石自旋量子比特在量子計(jì)算領(lǐng)域的可行性大幅提升，為未來(lái)的量子糾錯(cuò)和實(shí)用量子計(jì)算奠定了重要基礎(chǔ)。金剛石自旋量子比特的核心在于氮空位（NV）中心，這是一種包含缺陷的金剛石結(jié)構(gòu)，其中氮原子取代了碳原子，并與相鄰的空位形成了穩(wěn)定的電子自旋態(tài)。這種系統(tǒng)由電子自旋和氮核自旋組成雙量子比特，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持量子信息，成為量子計(jì)算的理想選擇。

       當(dāng)前，大多數(shù)超導(dǎo)量子比特需要在接近絕對(duì)零度（~20mK）的溫度下運(yùn)行，而金剛石自旋量子比特可以在約10K的環(huán)境下運(yùn)行，比超導(dǎo)量子比特的溫度高出100倍，使其明顯降低了對(duì)極端低溫冷卻系統(tǒng)的需求，從而降低了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行成本和復(fù)雜性。

       此外，金剛石自旋量子比特的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)光子進(jìn)行量子態(tài)傳輸，與超導(dǎo)量子比特主要依賴微波信號(hào)的方式不同。這種光學(xué)特性使得金剛石自旋量子比特可以直接與光學(xué)互連連接，成為量子網(wǎng)絡(luò)和分布式量子計(jì)算的理想方案。由于金剛石內(nèi)部的電子自旋受到的環(huán)境噪聲較少，NV中心的相干時(shí)間比超導(dǎo)量子比特更長(zhǎng)，因此金剛石量子比特在執(zhí)行量子運(yùn)算時(shí)能夠減少錯(cuò)誤，并且更適用于需要長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的量子算法。

       金剛石自旋量子比特的高性能離不開(kāi)高純度的人造金剛石襯底。此次研究使用的基板由Element Six（元素六）和代爾夫特理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā)，通過(guò)降低碳-13同位素濃度（從1%降至0.01%）來(lái)減少系統(tǒng)噪聲，提高量子比特的保真度。這種精確控制碳同位素的策略顯著降低了自旋相互作用，從而提高了量子計(jì)算的穩(wěn)定性。

       為了提高金剛石自旋量子比特的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)采用了兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。首先是去耦柵極（Decoupling Gates），由于環(huán)境噪聲是量子比特主要的干擾來(lái)源，該團(tuán)隊(duì)使用了受控脈沖序列來(lái)減少外部噪聲的影響。這些序列的優(yōu)化能夠最大程度地保留量子信息，使金剛石量子比特的相干時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)。其次是柵極斷層掃描（Gate Set Tomography, GST），這是一種高精度測(cè)量技術(shù)，可用于分析量子比特和量子門的誤差來(lái)源。該技術(shù)能夠提供量子門操作的完整誤差信息，并優(yōu)化所有操作參數(shù)，如門脈沖強(qiáng)度等，從而提高量子計(jì)算的精確性。

       富士通表示，該公司正計(jì)劃擴(kuò)大使用的量子比特?cái)?shù)量，并專注于以下領(lǐng)域的發(fā)展：

       首先是開(kāi)發(fā)光學(xué)量子芯片，通過(guò)利用金剛石自旋量子比特的光學(xué)傳輸特性，研究團(tuán)隊(duì)希望開(kāi)發(fā)高效的光學(xué)量子芯片，以便更好地支持分布式量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)。

       其次是集成CryoCMOS（低溫互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）控制電路，在量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，控制電路通常需要在極低溫度下工作。CryoCMOS技術(shù)可以提供低溫工作條件下的高效電子控制，從而優(yōu)化金剛石量子比特的操作，并減少能耗。

       此外，目前研究仍處于較小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)階段，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)包含成千上萬(wàn)個(gè)金剛石量子比特的計(jì)算系統(tǒng)。這將使金剛石量子計(jì)算機(jī)具備實(shí)際的商業(yè)價(jià)值，并推動(dòng)量子計(jì)算進(jìn)入可擴(kuò)展、實(shí)用化的階段。

       隨著金剛石量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高純度金剛石基板的需求將顯著上升。Element Six等公司正在推動(dòng)人造金剛石的制造技術(shù)，以滿足這一新興市場(chǎng)的需求。由于金剛石量子計(jì)算機(jī)具有更高的運(yùn)行溫度、更長(zhǎng)的相干時(shí)間和光學(xué)互連的能力，其在未來(lái)有望成為超導(dǎo)量子計(jì)算的重要競(jìng)爭(zhēng)者。

       目前，IBM、谷歌、英特爾等企業(yè)主要集中在超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)，而富士通和QuTech的突破則為金剛石自旋量子計(jì)算提供了新的可能。此外，金剛石自旋量子比特可通過(guò)光子進(jìn)行量子態(tài)傳輸，使其天然適用于量子互聯(lián)網(wǎng)和分布式量子計(jì)算。這一特性可能會(huì)推動(dòng)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并加速安全加密、遠(yuǎn)程計(jì)算等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

       目前，多家企業(yè)在金剛石量子技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)了積極的研究與應(yīng)用。

       中南鉆石有限公司與中國(guó)電科第十三研究所合作，在金剛石量子探測(cè)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們采用MPCVD方法制備高濃度金剛石氮-空位色心，并研究其性能，成果發(fā)表在《物理學(xué)報(bào)》上。 

       德國(guó)企業(yè)Quantum Brilliance專注于基于金剛石的量子計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)。該公司與拉籌伯大學(xué)和皇家墨爾本理工大學(xué)建立了聯(lián)合研發(fā)中心，目的在于增強(qiáng)基于金剛石的量子計(jì)算能力，并推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的大規(guī)模制造。
       荷蘭公司QT Sense致力于開(kāi)發(fā)基于金剛石量子傳感技術(shù)的單細(xì)胞水平檢測(cè)方法，用于疾病診斷。他們利用特制的納米金剛石與單個(gè)細(xì)胞相互作用，監(jiān)測(cè)細(xì)胞活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)早期疾病診斷。近期，該公司成功融資600萬(wàn)歐元，用于進(jìn)一步優(yōu)化其量子傳感產(chǎn)品。 

       富士通和QuTech在金剛石自旋量子比特上的突破性進(jìn)展，為量子計(jì)算技術(shù)提供了新的可能性。相較于傳統(tǒng)超導(dǎo)量子計(jì)算，金剛石量子比特具備更長(zhǎng)的相干時(shí)間、更高的工作溫度以及光學(xué)互連的特性，使其在可擴(kuò)展性和實(shí)用化方面具備巨大潛力。未來(lái)，隨著光學(xué)量子芯片、CryoCMOS控制電路的進(jìn)一步發(fā)展，以及大規(guī)模量子比特架構(gòu)的建立，金剛石自旋量子計(jì)算機(jī)有望成為量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，并在量子互聯(lián)網(wǎng)、分布式計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。