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量子科技革命：Q世代的未來

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麻省理工學院（MIT）的研究人員發現，在量子裝置內使用合成鑽石，可以維持量子運算疊加態特性的穩定性，並在期刊《自然》（Nature）發表相關論文，而MIT的這項發現對研發出可靠的量子電腦邁出重要的一步。

量子運算是一種利用量子邏輯來執行電腦運算的技術，而量子運算的基本單位是量子位元（Qubit），不同於傳統的運算位元只會處於0或1的狀態，量子位元因為疊加態（Superposition）的特性，可以處於0和1之外的其他狀態，而這也是加速量子電腦運算速度的關鍵。

但是疊加態特性容易受處理器的熱能、輻射等干擾，造成量子運算產生錯誤，要維持量子運算的穩定性並不容易，這也是目前研發大型且通用的量子電腦的主要障礙。

MIT表示，在大多數的工程領域中，維持一個物理系統穩定性的最好方式就是回饋控制，而回饋控制就是以目前所測量的物理系統狀態為基礎，並在此基礎上製作一個控制信號，來維持系統在期望的狀態中運作。不過，使用回饋控制的方式來穩定量子系統的問題是，測量量子系統的狀態會破壞量子的疊加態。

而MIT的研究人員為了避免破壞量子的疊加態，利用鑽石內的氮原子空缺中心（Nitrogen-Vacancy Center in a Diamond）的特性，使用量子控制因子取代傳統的控制因子來執行回饋控制。

一顆純鑽石是由碳原子排列成規則的晶體結構所組成，而鑽石內的氮原子空缺中心就是，如果碳原子核從晶體結構中遺失，就會造成空缺，且該空缺鄰近的一個碳原子被氮原子取代時，便形成氮空位缺陷。

當鑽石受到較強的磁場影響時，氮原子空缺中心的電子自旋可以向上、向下，或是2者的量子線性疊加，而這就是形成量子運算的量子位元。另外，根據MIT，因為氮原子空缺中心的量子位元可以和其他量子位元一起執行運算，如果運算過程****現錯誤，則會反映在氮原子核的自旋。而MIT研究人員就是透過這樣的方式來建立量子運算的回饋系統，並避免破壞量子的疊加態特性。

此外，MIT研究人員也解釋，因為氮原子空缺中心量子位元本身的物理結構特色，讓合成鑽石增加量子運算穩定性所需的離子或原子可以免除使用複雜的硬體來捕捉，且鑽石內的氮原子空缺中心可以透過自然光來讀取訊息，讓氮原子空缺中心量子位元比起其他種類的量子位元來得好。

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其中一個主流方向便仰賴鑽石：簡單來說，利用鑽石本身的晶格缺陷，研究人員用一個氮原子取代碳，再把另一個相鄰的碳原子移除，形成所謂的「氮空缺中心」(Nitrogen-vacancy center)。接著，利用磁場便可使氮原子空缺中心的電子朝不同方向自旋，形成量子運算的位元。鑽石晶格可以保護其中的量子位元免受外界干擾。

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除此之外，在晶體中製造出某些特定的缺陷，也能達到單一光子源的效果。這類缺陷中最常見的就是鑽石裡的「NV center」，意思是在鑽石晶體結構中，其中一個碳由氮（N）取代，這個氮的隔壁又有一個碳被拿掉，出現一個空缺（Vacuum）。這樣的缺陷裡也會產生上述的二能階系統，可以如單一原子、量子點一樣，放出單光子。