世界首台常溫量子計算機啟用！無需絕對零度，主核竟然「鑲鑽」

量子運算可謂是目前最令人興奮（和被炒作）的研究領域之一。 在這方面，德國和澳洲的新創公司Quantum Brilliance最近做了一件大事。 世界上第一台基於鑽石的室溫量子電腦在遙遠的大洋洲成功安裝！

  

#世界第一台商用室溫量子電腦

簡單來說，Quantum Brilliance的這台量子計算機，既不需要絕對零度，也不需要複雜的雷射系統。 那麼，為什麼說室溫是一件值得拿出來好好說道的事情呢？

量子運算系統的基本想法是，量子位元能夠處於一種不僅僅是「1」或「0」的狀態，而是某種稱為「疊加態」的組合。 這意味著兩個量子位元可以處於「01」、「10」、「11」和「00」的疊加狀態，因此可以表示更多的狀態和資料。 

但問題來了，這些系統對其環境仍然非常敏感，量子位元只能在很有限的時間內保持給定的疊加態，也就是「相干時間」。而相干時間如果受限，就會導致量子位元執行的計算中出現錯誤。 

在傳統的量子電腦中，需要用特殊的冷卻方法來確保量子相干性，而室溫的量子電腦則可以省去這個步驟。 量子的相干性，或者換句話說，粒子的行為必須像波（波動性）的這個特點，是一切量子效應的基礎。 

 

那麼，Pawsey是如何實現量子電腦室溫運作的呢？

這就要提到Quantum Brilliance所使用的獨特的量子計算方法。

他們利用了合成鑽石中天然存在的氮電洞中心的優點，而沒有使用傳統的離子鏈、矽量子點或超導傳輸量子位元。

氮空穴指的是鑽石晶格中的缺陷，它由鄰近電洞的替代氮原子組成。

這些氮電洞中心具有光致發光（photoluminescence）的能力，能根據發射出來的光線特點讀取量子位元的自旋，不再需要直接和量子位元相互作用。 很多技術，比方說磁場、電場、微波輻射還有光，都可以直接用來處理氮電洞的電子自旋。

#氮空穴的鑽石晶格結構 根據公司先前發布的白皮書介紹，室溫運作的鑽石量子電腦由一個處理器節點陣列組成。

每個處理器節點由一個氮電洞（NV）中心和一簇核自旋組成：固有的氮核自旋和多達4個附近的13C核自旋雜質。 而核自旋，則充當電腦的量子位元，氮電洞作為量子匯流排，介導量子位元的初始化和讀出，以及節點內和節點間的多量子位元操作。

 

#2021年時，已證明的初始化和讀取保真度超過99.6% ，而單量子位元和雙量子位元的閘控保真度分別超過99.99%和99%，對應的閘控時間約10微秒。

有工作表明，使用更先進的量子控制技術，閘的保真度可以超過99.999%，閘門的操作時間可以低於1微秒。

由於注入光罩製造的限制和注入離子的散射，使用現有的「自上而下」的氮離子注入入技術來創建NV中心，無法實現這種精度。

Quantum Brilliance的關鍵發明之一是一種「自下而上」的原子級鑽石精確製造技術，透過表面化學和光刻技術來規避上述這些限制。而另一項重要發明是整合量子晶片，它將鑽石量子電腦的電、光、磁控制系統小型化和整合化。

不過，根據白皮書顯示，該系統只有5個量子位元，這與Google的72個量子位元相比，顯然還相去甚遠遠。 

量子加速器 超算=？

現在，大多數量子運算工作都是在IBM的Quiskit和Nvidia的cuQuantum計畫等平台上的模擬環境中完成的。 而且，目前量子電腦的主流是大型主機，大型是從尺寸上說的，現有的產品通常佔地幾平米，甚至一個房間大小。 

這是因為各種量子硬體限制了大型主機的尺寸，因為它們是需要在超低溫和/或超低電壓以及複雜的控制系統才能運作的大型脆弱機器。 如果沒有室溫量子計算機，那麼情況就會是在全世界每個超級計算和雲端運算設施中有幾個量子大型主機，但是想要推廣到廣泛應用的程度，還做不到。 在超級計算中心內部署室溫量子計算機，將使研究人員能夠真正利用現場計算、維護和整合。

  

#同時，與Pawsey超級計算研究中心的合作，也是為了透過建立初始的混合環境，來加速量子和經典系統的配對，這種環境可以診斷瓶頸，並對量子經典整合進行可能的改進。

 

Pawsey的執行董事Mark Stickells表示，將量子加速器整合到HPC架構中將有助於其4000名研究人員更多地了解這兩個系統如何協同工作。這將提供一個可以證明實際應用的試驗台，因此我們的研究人員可以更有效地進行工作——促進量子科學的發展並加速未來的研究。 「這是邁向混合運算未來的關鍵一步。」 

斥資超1億：新加坡要建第一台量子電腦

5月31日，在新加坡亞洲科技展（Asia Tech x Singapore）上，副總理、經濟政策統籌部長兼國家研究基金會主席王瑞傑宣布，量子工程計畫（QEP）正式啟動。 新加坡將結合三個國家平台來發展量子運算、量子安全通訊和量子設備製造的能力。 

根據新加坡的研究、創新和企業2020計劃，該計劃向這三個平台投入2350萬新幣（約1.14億人民幣），為期最長3.5年。這些平台將獲得來自整個研究領域的進一步支持。

  

#這三個國家量子平台由新加坡國立大學（NUS）、新加坡南洋理工由大學（NTU Singapore）、新加坡科技研究局（A*STAR）和新加坡國家超級計算中心（NSCC）主辦，分別是： 

• 國家量子運算中心－透過產業合作發展量子運算能力並探索應用；
• #國家量子無晶圓廠－支援量子裝置和使能技術的微加工技術；
• 國家量子安全網路－在全國範圍內進行量子安全通訊技術的試驗，旨在加強關鍵基礎設施的網路安全。

  

#國家量子運算中心（NQCH） NQCH將匯集新加坡國立大學和南洋理工大學的量子技術中心（CQT）團隊、A*STAR的高效能運算研究所（IHPC）和新加坡國家超級運算中心（NSCC）的專業知識和資源，在新加坡建立一個量子計算生態系。

國家量子無晶圓廠（NQFF）# 國家無晶圓廠（NQFF）設在A*STAR的材料研究與工程研究所（IMRE），將支援QEP的三大支柱量子計算、通訊和感測，中的量子裝置的微型和奈米加工。

它也將開發與新加坡在量子技術生態系統中的戰略需求有關的使能裝置。

國家量子安全網路(NQSN) 2022年2月宣布的NQSN將在全國進行量子安全通訊技術的試驗，為關鍵基礎設施和處理敏感資料的公司提供強大的網路安全。該倡議由CQT以及新加坡國立大學和南洋理工大學領導，有超過15個私人和政府合作者。

  

對此，新加坡國立大學CQT主任、NQCH首席研究員José Ignacio Latorre教授評論說：「量子運算正在到來。問題不在於『何時』，而在於『誰將準備好使用這項技術』。」

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