量子计算的新突破：基于金刚石自旋光子的研究联盟

    在量子计算的竞赛中，一个由28个合作伙伴组成的研究联盟正在推进一项革命性的项目——"SPINNING—基于钻石自旋光子的量子计算机"。这个项目在弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)的领导下，旨在开发一种新型量子计算机，它不仅能够解决现代超级计算机需要数十年才能解决的复杂问题，而且具有更低的冷却要求、更长的运行时间和更低的错误率。

    一、量子计算的挑战与机遇

    量子计算机的潜力是巨大的，它们能够在几秒钟内完成传统计算机需要数十年才能完成的计算。然而，实现这一目标的路径并不明确，每种方法都有其在硬件和软件方面的优缺点，从可靠性和能耗到与传统系统的兼容性。

    二、SPINNING项目：钻石自旋光子量子计算机

    SPINNING项目的核心是开发一种基于自旋光子和钻石的量子计算机。这种计算机的混合概念提供了更大的可扩展性和连接性，使其能够灵活地与传统计算机连接。与其他量子计算方法相比，这种计算机的特点是冷却要求更低、运行时间更长、错误率更低。

    三、技术实现：金刚石晶格中的色心

    研究人员正在利用金刚石的材料特性来开发量子计算平台。量子比特是利用金刚石晶格中的色心创建的，方法是将电子捕获在掺杂有氮、硅和氮、锗或锡的人工晶格缺陷或空位中心之一中。电子自旋通过磁相互作用与相邻碳同位素的五个核自旋耦合，中心电子自旋随后可用作可寻址量子比特。

    四、量子处理器的光耦合与纠缠

    SPINNING量子计算机将由至少两个、最多四个量子比特寄存器组成，这些寄存器将在例如20米的长距离上进行光耦合，从而实现全面的信息交换。中央电子自旋和寄存器之间的光学耦合由光学路由器与光源和读出检测器组合实现，核自旋的各个状态由高频脉冲控制。

    五、项目进展与成果

    在联邦教育和研究部(BMBF)的量子计算机演示装置资助计划的中期会议上，该联盟成功演示了两个各有六个量子比特的寄存器在20米距离上的纠缠，并实现了高平均保真度。此外，项目还实现了中央硬件和软件以及基于自旋光子的量子计算机外围设备的重大改进。

    六、技术挑战与未来展望

    项目结束前剩下的技术挑战包括进一步开发谐振器设计，以提高可重复性和更精确的对准。同时，研究人员正在进一步改进用于自动控制自旋光子量子计算机路由的软件。

    SPINNING项目的中期结果与基于超导约瑟夫森结(SJJ)的量子计算机的关键指标相比，凸显了该项目所做工作的价值。自旋光子量子计算机在错误率和相干时间方面表现出色，这标志着量子计算领域的一个重要进展。随着技术的不断进步，我们有望见证量子计算机在解决复杂问题、推动科学发现和技术创新方面发挥关键作用。