美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的一名研究人员开发出一种新计算技术，可加速筛选能够用于未来量子计算机和高灵敏度传感器的金刚石材料。该方法显著降低了识别量子技术候选材料的难度，并可能推动多个科学领域的进展。

该方法已给出用于量子计算与传感应用的新候选缺陷。相关结果近期发表于 ACS Central Science，并引起领域内其他研究者的关注。

开发量子技术的核心难题之一，是找到能在实际条件下维持脆弱量子态的材料。许多候选材料需要极低温度才能可靠工作。金刚石材料的不同之处在于，部分量子特性在室温下仍可保持可用。

这一特性有助于推进与国家研究重点和下一代计算相关的技术。量子传感器有望达到传统仪器难以实现的灵敏度和精度；量子计算机则可能在未来以远高于当前最强超级计算机的速度求解某些极端复杂问题。

不完美金刚石为何可能成为量子计算的关键

金刚石由碳原子构成，但无缺陷的金刚石晶体不足以构成可用的量子计算系统。关键在于晶体结构中的微小不规则性。

这些不规则性称为缺陷，可能表现为碳原子缺失、其他元素取代碳原子，或两者同时发生。缺陷周围的原子可形成量子比特（qubit），即量子计算机和传感器中用于存储与处理量子信息的基本单元。

然而，找到最有用的缺陷并不容易。传统上精确模拟其量子行为需要巨大计算资源，难以评估大量候选结构。

更简单的金刚石量子比特发现方法

PPPL 专职研究科学家 Mark Martirez 开发出一种大幅降低此类计算复杂度的方法。他不再模拟更大的金刚石结构，而是截取缺陷周围仅含 16 至 30 个原子的微小区域。

通过截取这一微小原子团簇并将其视为独立分子，Martirez 可使用化学界长期完善的强大量子化学计算方法。这些成熟方法能在不牺牲所需精度的前提下，更高效地分析金刚石缺陷的量子性质。

Martirez 表示：“由于我们将量子比特当作分子处理，计算这些缺陷的成本等同于模拟一个简单分子。这种方法大幅拓展了量子比特的评估方式。”

新技术使研究人员能更快计算不同量子比特对激光和微波脉冲的响应。利用该方法，团队识别出涉及硼和氧的有前景缺陷，可作为新型量子比特候选。

新金刚石缺陷呈现多种量子光学响应

光在科学家与金刚石量子比特交互中起重要作用。研究人员使用激光和微波脉冲操纵其量子态并读取存储信息。

此前该领域大量工作集中在氮空位中心。这种结构由一个氮原子取代金刚石晶体中的碳原子，同时相邻本应含碳原子的位置保持空位。

在激光照射下，该类缺陷处于特定量子态时可发射红光。

新研究的缺陷具有不同光学性质。氧相关缺陷可产生蓝光，硼相关缺陷则发射紫外光。

这些差异使在同一量子器件中组合多类量子比特成为可能。由于每类缺陷对光的响应不同，研究人员或可与一组量子比特交互而不扰动另一组。

Martirez 表示：“可以设想，将具有不同响应的量子比特组合起来，从而探测其中一个量子比特而不影响另一个。”

量子化学如何改变未来研究

潜在收益远不止量子计算机本身。Martirez 看到一个值得关注的可能性：由量子化学推动的进展，最终会催生帮助改进化学领域的量子技术。

换言之，量子化学可能在未来数十年发展出提升自身研究能力的工具。

包含多个量子比特的实用量子系统可显著提高分子计算精度。这将使科学家能以传统方法难以达到的细节水平研究日益复杂的化学结构，包括大型生物分子和蛋白质。

“我们可以更准确地描述更大的分子、生物分子、蛋白质等，这可能改进制药科学和材料科学等所有与化学相关的行业。甚至我们对分子系统的基础理解也可能得到提升。”

此类改进可能对药物开发、材料研究以及分子行为基础研究产生深远影响。

Martirez 还希望该研究能鼓励更多化学家探索固态物理。尽管构建先进量子计算机常被视为物理学家的挑战，他认为化学可提供有价值的专业知识，帮助加速进展。

“当前，人们非常重视构建首台先进量子比特计算机，”他说，“但参与这项研究的不应只有物理学家。化学家对化学系统积累了数十年的直觉，这些直觉可较容易地转化为对固体中缺陷的理解。”

通过融合这些学科，科学家或能开发更有效的方法来发现、理解并最终设计未来技术所需的量子材料。