2024年8月27日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科研团队，在《物理评论X》发表其研究成果，他们在钻石量子计算领域取得重大突破。项目核心有两部分，其一，量子中继器 link 项目，旨在实现安全的光纤量子通信；其二， SPINNING 项目，致力于开发基于金刚石自旋光子的量子计算机。

据研究人员介绍，钻石中的特定缺陷具备独特的光学和磁特性，可作为量子通信的量子比特。通过光或微波能够对其电子自旋状态进行操控，从而使这些缺陷成为稳定的量子比特，用于存储和处理信息，并与光子实现耦合。

本次研究的核心成果是将钻石 SnV 中心的相干时间大幅提高至 10 毫秒，这是一个具有重大意义的进步。研究团队采用动态解耦技术，显著抑制了干扰。此外，他们还首次成功验证，此类钻石缺陷可通过超导波导进行有效控制。这一突破有助于将微波辐射高效地导向缺陷，且不产生热量，对于维持量子比特在接近绝对零度的低温下进行研究，起着至关重要的作用。

受益于底层技术赶超摩尔定律的发展，量子计算近年来高歌猛进，相关突破的报道不时见诸报端。借此机会，我们来快速捋一捋相关领域的一些基本情况。

提到量子计算，你首先会联想到什么？

很多人会想到量子比特（qubit），这是量子计算机的基本单位。与经典比特不同，量子比特可以处于0和1的叠加态，这使得量子计算机在处理某些特定类型的问题时，理论上可以比传统计算机更快。

还有吗？你如数家珍：量子纠缠、量子叠加、量子门等等。那么看到钻石量子计算，你会不会好奇，为什么是“钻石”？还有没其他实现方式？答案是肯定的，比如，超导量子计算、离子阱技术、拓扑量子计算和光量子计算等。

下面，我们用横向的“参数”对比表格，简单了解这五种量子计算技术。

超导量子计算：

利用超导材料中的量子位（如约瑟夫森结）实现量子计算。优点在于高精度的量子门操作和较长的相干时间，适合执行复杂的量子算法。需要极低温环境（接近绝对零度）以维持量子比特的稳定性。技术相对成熟，已有多个多比特量子计算机原型问世。

应用案例

IBM的Q System One：是世界上第一台商用的集成量子计算系统，它使用了超导量子比特技术，提供了可编程的量子处理器和高级的量子编程环境。

实验室案例

1. 中国科学技术大学研制的“祖冲之号”超导量子计算原型机，包含62个量子比特，并实现了可编程的二维量子行走。

2. “本源悟空”量子计算机，搭载了72位自主超导量子芯片，是中国第三代自主超导量子计算机。

光子量子计算：

通过光子的量子态（如偏振、相位）进行信息编码和处理。具有天然的抗干扰能力，适合长距离量子通信和分布式量子计算。当前的研究重点在于提高量子比特的操纵精度和纠缠效率。光子量子计算具有实现量子互联网和量子传感的潜力。

实验室案例

1. 中国科学技术大学郭光灿院士团队，基于多模式固态量子存储和量子门隐形传送协议，在合肥实现跨越7公里的非局域量子门，并演示了分布式的多伊奇—乔萨算法及量子相位估计算法。

2. 麻省理工学院的研究人员利用光子实现了量子模拟，模拟了复杂的分子结构，为新材料的设计提供了有力工具。

离子阱量子计算：

利用离子阱中的离子作为量子基础单元，通过激光操控实现量子计算。优点在于极长的相干时间和高保真度的量子门操作。技术挑战在于如何扩展量子比特数量，以实现大规模量子计算。离子阱量子计算在量子模拟和算法实现方面展现出独特优势。

实验室案例

1. 山西大学光电研究所的离子阱量子计算与模拟实验室，正在开展离子系统和原子系综中的量子化学模拟、量子多体物理模拟以及拓扑量子计算。

2. 离子阱技术已被多个实验室用于实现高精度的量子操控和量子测量。例如，一些研究团队利用离子阱中的镱离子或钙离子作为量子比特，通过激光操控实现了高保真度的量子门操作。

3. 谷歌的量子计算团队也使用了离子阱技术，他们实现了量子霸权，即在特定任务上比传统计算机更快地解决了问题。

拓扑量子计算：

基于拓扑量子态（如马约拉纳费米子）的量子计算，具有内在的容错能力。研究重点在于寻找和操纵拓扑量子态，以实现稳定的量子比特。理论上具有极高的稳定性，但实验实现仍面临诸多挑战。拓扑量子计算有望解决量子计算中的容错和稳定性问题。

实验室案例

1. 中国科学院物理研究所的团队，在铁基超导材料锂铁砷（LiFeAs）中观测到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子格点阵列，对实现马约拉纳准粒子的编织以及拓扑量子计算具有重要意义 。

2. 潘建伟团队在光量子处理器上成功实现了拓扑数据分析（TDA），这是原理性实验演示验证的成功案例。

3. 中国科学家在世界上首次实现拓扑量子纠错，这是可扩展容错性量子计算的重大突破。

钻石量子计算：

利用钻石中的氮空位（NV）色心作为量子比特，NV色心具有一定的室温操作能力，使得某些基于钻石的量子计算在室温下成为可能。不过，对于许多高级应用，仍然需要在低温环境下进行以确保量子比特的稳定性和性能。

该技术具较长的相干时间和光学可寻址能力，适合进行量子通信和传感。研究进展包括提高相干时间至毫秒级别，为量子技术的应用提供新途径。钻石量子计算具有实现小型化、集成化量子系统的潜力。

实验室案例

1. KIT物理研究所精确控制了钻石中的锡空位（SnV）中心，将相干时间提高到10毫秒 。

2. 2013年，科学家们让两块相距3米远的钻石内的信息发生纠缠，是实现远距离量子信息交换所必需的步骤 。

3. 哈佛教授傅罗杰带领的团队利用NV空色心对磁场的高度敏感而研发的量子钻石显微镜，已达到了1微米的分辨率，并成功分析了太阳系形成早期的地球磁场情况。

好了，量子计算，量子般的介绍。不过，大多数上述技术目前仍处于实验室阶段，尚未广泛投入实际应用。

参考文献

DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031036