奈米鑽石革命：量子電腦在常溫下運作的新希望
編譯／高晟鈞
傳統的電腦裝置，包括最先進的超級電腦的運算能力並不足以支撐量子系統，即便那個量子系統僅僅只有幾個量子位元。主要的原因是因為，在量子系統中，空間的維度會隨著每個粒子的添加而成指數增長。
量子電腦強大的運算速度與能力的潛力，使得量子電腦的開發勢不可擋，科學家們也不斷在尋找最適合量子電腦的新材料。目前主流的五種量子運算方式包含了：矽自旋量子、離子陷阱、超導體迴路、鑽石空位和拓樸量子五種。
閃閃發亮的奈米鑽石
量子系統極度容易受到干擾，因此通常需要在極低溫度的環境下運作，因此運行成本相當高昂。而奈米鑽石由於其保有鑽石的高穩定性，當其作為量子系統的替代材料時，有望使系統在常溫下正常運作。
在奈米鑽石形成的過程中，碳原子會按照鑽石的晶格結構進行排列。研究團隊透過用氮原子撞擊鑽石，某些碳原子會被氮（Nitrogen）原子所取代，或是缺少原子而形成所謂的「空位」（Vacancy）。這兩種特性會在奈米鑽石中形成所謂的NV缺陷，使其能夠獨立地表現出電子的自旋特性，成為打造量子電腦的核心要素。
我們可以透過外部磁場或是微波輻射來對電子的自旋狀態進行調整，加上鑽石本身良好的導熱性與化學穩定性，都有助於保持NV缺陷中的電子穩定性，並利用量子糾纏調整電子狀態。
研究進展
在最新的研究中，Chong Zu教授與他的研究團隊開發出了一個可控的量子系統，並直接模擬複雜的量子動力學，其系統的穩定時間長達了10毫秒，這在量子世界中已經是相當長的一段時間了。更值得注意的是，與在超冷溫度下運行的量子系統不同，他們的奈米鑽石系統是在室溫下運作的。
保持量子系統運行的一個關鍵便是防止「熱化」（Thermalisation）。熱化過程中會吸收大量能量，使得系統失去量子特性。研究小組發現，當他們快速驅動系統時，可以延遲這種熱化現象，使系統處於相對穩定的「預熱」狀態。
祖教授目前正積極於量子飛躍中心的其他科學家合作，期望將量子力學的新見解與技術應用於生物醫學、生命科學、藥物開發以及其他多元領域。
資料來源:SciTechDaily
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