富士通研发全球首个运作中的钻石自旋量子电脑原型

日本科技巨头富士通已开发出全球首个可运作的钻石自旋量子电脑原型，该原型将锡空位 (SnV) 中心纳入光子集成电路。这个新原型可以在-456.9华氏度 (-271.6摄氏度) 下运行，这比超导量子电脑所需的-459.6华氏度 (-273.13摄氏度) 高出大约2.8华氏度。富士通表示，该技术可以通过使用光来连接各个计算模块，从而推动更强大的量子电脑的发展。该公司计划在2027年前建立一个多模块的钻石自旋原型，并力求在2030年前实现量子计算的实用化。

根据富士通的量子路线图，该公司计划在2030财年之前开发一个250逻辑量子比特系统，并在2035财年之前实现1000逻辑量子比特系统。QuTech总监Kees Eijkel博士指出：“我们很高兴能够宣布这个原型钻石自旋量子电脑，这是自2020年以来富士通、代尔夫特科技大学和QuTech之间进行的合作研究的成果。”

新型量子比特技术

该原型依赖于钻石晶体中的晶格缺陷，更为人熟知的是颜色中心，以创建量子比特。钻石自旋系统通常依赖于氮空位 (NV) 中心，这是在氮原子取代相邻钻石晶格中的碳原子时形成的。然而，对于新系统，工程师转而使用锡空位 (SnV) 中心。这些缺陷在钻石结构中具有一个锡原子位于两个空位之间。富士通表示，它们的对称结构使SnV中心比传统的NV中心更不易受到外部噪音的影响。

此外，SnV中心的光发射亮度约为NV中心的10倍，这可能改进量子模块之间的光学连接，并有助于提高错误校正的效率。

该系统的特性可以保持量子态的稳定，并允许以比竞争方法所需的更少物理量子比特来形成逻辑量子比特（使用量子算法规范执行量子计算的物理量子比特组）。富士通首先创建了一个过程，将高品质的锡植入钻石基板与铝氧化物和二氧化硅基板进行结合。钻石的厚度由数百微米减少至仅数百纳米，以便整合到量子芯片中。

量子计算的未来计划

该公司还制作了光子集成电路，将包含SnV中心的纳米级钻石晶体与铝氧化物光波导结合在一起。最终，富士通创建了一种机制，可以通过光、微波和无线电频率波来控制钻石自旋量子比特。富士通首席技术官Vivek Mahajan表示：“我们在这一原型中应用的钻石自旋方法不仅本身具有卓越的可扩展性，还有潜力与超导量子电脑整合，进一步扩展其能力，使得更复杂的大规模计算成为可能。”

该设备已通过富士通混合量子计算平台在测试环境中运行。根据该公司的说法，用户无需额外的专业知识即可控制这个新硬件。Mahajan在一份声明中总结道：“根据我们的路线图，力求在2030财年实现250逻辑量子比特系统，并在2035财年达成1000逻辑量子比特系统，富士通将继续推进实用量子计算，在从软件到硬件的广泛领域中发展，同时利用钻石自旋方法的关键优势，包括高保真度和光学连接性。”

项目	规格
运行温度	-456.9华氏度 (-271.6摄氏度)
锡空位中心	存在于钻石结构中
光发射亮度	约为NV中心的10倍

钻石自旋量子电脑的潜力与挑战

富士通的钻石自旋量子电脑原型标志着量子计算技术的一次重要进步。通过使用锡空位中心，该系统在稳定性和光发射亮度方面优于传统的氮空位中心，这对于提高量子计算的效率至关重要。此外，该技术的运行温度较高，可能使量子电脑的实用化更具可行性。然而，富士通仍需克服技术挑战，以实现其在2030年前的量子计算目标，并确保其系统能够与现有的超导量子电脑技术整合。