富士通研發全球首個運作中的鑽石自旋量子電腦原型

日本科技巨頭富士通已開發出全球首個可運作的鑽石自旋量子電腦原型，該原型將錫空位 (SnV) 中心納入光子集成電路。這個新原型可以在-456.9 華氏度 (-271.6 攝氏度) 下運行，這比超導量子電腦所需的-459.6 華氏度 (-273.13 攝氏度) 高出大約 2.8 華氏度。富士通表示，該技術可以通過使用光來連接各個計算模塊，從而推動更強大的量子電腦的發展。該公司計劃在 2027 年前建立一個多模塊的鑽石自旋原型，並力求在 2030 年前實現量子計算的實用化。

根據富士通的量子路線圖，該公司計劃在 2030 財年之前開發一個 250 邏輯量子比特系統，並在 2035 財年之前實現 1000 邏輯量子比特系統。QuTech 總監 Kees Eijkel 博士指出：「我們很高興能夠宣佈這個原型鑽石自旋量子電腦，這是自 2020 年以來富士通、代爾夫特科技大學和 QuTech 之間進行的合作研究的成果。」

新型量子比特技術

該原型依賴於鑽石晶體中的晶格缺陷，更為人熟知的是顏色中心，以創建量子比特。鑽石自旋系統通常依賴於氮空位 (NV) 中心，這是在氮原子取代相鄰鑽石晶格中的碳原子時形成的。然而，對於新系統，工程師轉而使用錫空位 (SnV) 中心。這些缺陷在鑽石結構中具有一個錫原子位於兩個空位之間。富士通表示，它們的對稱結構使 SnV 中心比傳統的 NV 中心更不易受到外部噪音的影響。

此外，SnV 中心的光發射亮度約為 NV 中心的 10 倍，這可能改進量子模塊之間的光學連接，並有助於提高錯誤更正的效率。

該系統的特性可以保持量子態的穩定，並允許以比競爭方法所需的更少物理量子比特來形成邏輯量子比特（使用量子算法規範執行量子計算的物理量子比特組）。富士通首先創建了一個過程，將高品質的錫植入鑽石基板與鋁氧化物和二氧化硅基板進行結合。鑽石的厚度由數百微米減少至僅數百納米，以便整合到量子芯片中。

量子計算的未來計劃

該公司還製作了光子集成電路，將包含 SnV 中心的納米級鑽石晶體與鋁氧化物光波導結合在一起。最終，富士通創建了一種機制，可以通過光、微波和無線電頻率波來控制鑽石自旋量子比特。富士通首席技術官 Vivek Mahajan 表示：「我們在這個原型中應用的鑽石自旋方法不僅本身具有卓越的可擴展性，還有潛力與超導量子電腦整合，進一步擴展其能力，使得更複雜的大規模計算成為可能。」

該設備已通過富士通混合量子計算平台在測試環境中運行。根據該公司的說法，用戶無需額外的專業知識即可控制這個新硬件。Mahajan 在一份聲明中總結道：「根據我們的路線圖，力求在 2030 財年實現 250 邏輯量子比特系統，並在 2035 財年達成 1000 邏輯量子比特系統，富士通將繼續推進實用量子計算，在從軟件到硬件的廣泛領域中發展，同時利用鑽石自旋方法的關鍵優勢，包括高保真度和光學連接性。」

項目	規格
運行溫度	-456.9 華氏度 (-271.6 攝氏度)
錫空位中心	存在於鑽石結構中
光發射亮度	約為 NV 中心的 10 倍

鑽石自旋量子電腦的潛力與挑戰

富士通的鑽石自旋量子電腦原型標誌著量子計算技術的一次重要進步。透過使用錫空位中心，該系統在穩定性和光發射亮度方面優於傳統的氮空位中心，這對於提高量子計算的效率至關重要。此外，該技術的運行溫度較高，可能使量子電腦的實用化更具可行性。然而，富士通仍需克服技術挑戰，以實現其在2030年前的量子計算目標，並確保其系統能夠與現有的超導量子電腦技術整合。