量子比特是量子计算的核心，它也是最大的弱点

量子计算革命即将到来，大量的传感器、通信系统和功能强大的计算机都即将成为现实。

量子计算机的功能原型，如谷歌的Sycamore机器，已经在全球范围内投入使用。这些技术的核心是“量子比特”或“量子位”，这是量子计算的基本单位，类似于比特是经典计算的基本单位。

现在，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员开发了一种创建称为色心（即微小发光点）的新方法；色心产生于晶体的缺陷之中，通过对一种已知材料进行特殊处理而得到。这些可控制的色心可以用作产生量子比特的新方法。

但最大的问题是：如果量子计算机已经存在并使用量子比特，为什么我们需要一种制造这些量子比特的新方法？事实证明，为量子比特提供动力的现象——也是这种新兴技术最大的弱点。

量子比特如何驾驭量子世界？

量子计算机的额外计算能力在于，量子比特利用量子世界中令人惊叹且常常令人深感困惑的现象来进行运算。

例如，虽然比特可以取两个值——0或1——但量子叠加现象，即系统的多个状态重叠，允许量子位同时取多个相互矛盾的值。

因此，单个量子位可以处于“开”和“关”状态，只是“开”状态，或者只是“关”状态；这些可能的状态会随着量子比特的聚集而增加，从而形成一个量子网络。这意味着大量的量子位可以存在于大量的状态中。

纠缠是另一种量子现象，它使量子比特能够在量子计算机中相互传递信息。其概念是粒子可以以一种无法描述的方式相互关联。通过测量改变一个粒子，会立即改变它的纠缠伙伴，无论两个粒子相距多远，都会受到影响。这让阿尔伯特·爱因斯坦非常困扰，他将纠缠描述为“幽灵般的远距离作用”。

这些量子元素的应用意味着，在传统计算机中增加比特会使其计算能力呈线性增长，而在量子计算机中增加量子比特则会使其计算能力呈指数增长。从数学角度来说，这意味着如果一台量子计算机有 n 个量子比特，那么这些量子比特可以处于 2 的 n 次方个状态的叠加态。

量子比特的纠缠，以及以叠加的方式存储信息，使量子计算机比传统计算机更强大，并产生了一个能以指数级速度解决问题的系统。但是，有一个大问题。像纠缠态和叠加态这样的量子态非常微妙，很容易被破坏。这对量子计算机的可靠性来说是一个重大劣势。

嘈杂的问题

在实验室中，量子系统中的纠缠态和叠加态在测量时被破坏。问题是这种“测量”只是干涉的一种形式，而干涉可能来自量子系统周围的许多因素。

叠加态的坍缩或纠缠态的丧失也可能是由与粒子的相互作用、磁场或像温度波动这样简单的因素引起的。

这意味着量子计算机必须在极好控制的条件下运行，比如极低的温度，以保护它们免受任何环境“噪音”的影响。即便如此，这些状态的脆弱性意味着量子计算机目前还无法准确地进行大规模的连续计算。

这就是为什么像伯克利实验室这样的团队正在研究创造量子比特的新方法，希望他们可以开发出一种更好地抵御“噪音”的系统。

量子比特的彩色扭曲

“量子比特可以通过许多不同的方式实现，”参与量子比特新工作的伯克利实验室研究员苏聪告诉《大众力学》杂志。“一种方法是利用半导体中的色心，它本质上是由缺陷产生的辐射。”

在伯克利实验室分子铸造厂的科学家Shaul Aloni的带领下，该团队使用固态“扭曲”晶体层状材料来产生这些色心。他们的研究成果去年夏天发表在《自然材料》杂志上。

“我们在实验中使用了六方氮化硼，它具有由硼和氮原子组成的蜂窝状晶格。这种结构与石墨烯非常相似，所以六方氮化硼也被称为白色石墨烯，”苏解释道。“在这种材料中，我们使用了来自缺陷的辐射——这些缺陷要么是内在嵌入的，要么是由六方氮化硼内部的粒子轰击产生的。”

由于它们是晶体材料（如钻石）中的微观缺陷，当被激光或电子束等替代能源击中时，会发出特定颜色的光，因此颜色传感器可以与控制光的设备结合起来，以连接量子处理器中的组件。

六方氮化硼的色心实际上比钻石的色心更亮，但在这项研究之前，科学家们一直在努力使用这种材料——一种常见的油漆添加剂——因为很难在确定的位置产生缺陷。

“传统上，色心是通过离子注入来创建的。然而，由于缺乏空间控制，这在随机位置产生了色心。”“我们正试图利用六方氮化硼和电子束的界面来限制这些色心的位置。”

这项研究的另一个障碍是，到目前为止，研究人员还缺乏一种可靠的方法来控制这种合成材料的色心。该团队通过像三明治一样堆叠和旋转六方氮化硼层来解决这些问题，上面一层相对于下面一层进行旋转。这起到了激活和增强色心的紫外线（UV）发射的效果。

苏说：“我们非常惊讶地发现，一个简单的图层扭曲可以将色心的亮度提高近两个数量级。”

该团队希望这项研究是朝着色心设备迈出的第一步，工程师们可以用它来构建量子系统，或者可以适应现有的量子系统。然而，在这成为可能之前，还需要做更多的工作，为了减少量子计算中的误差，需要提高色心的保真度。

苏说：“制造基于色心系统的量子器件仍然需要付出很多努力。”“例如，需要一个波导将不同的量子比特连接在一起，使它们相互纠缠并进行通信。

“我们希望发现并有意创造更多具有更好属性的色心，我们也希望找到其他方法来控制它们。”