幕後文章是與國家科學基金會合作提供給生活方面的。
量子計算機可能代表技術的下一個主要範式轉移。從理論上講，這樣的計算機可以使用一小部分能量執行更快，更複雜的計算。但是，實際上，構建量子計算機是一個非常棘手的工程挑戰。
在原子水平上，粒子的行為不會以人們對古典物理定律的期望。根據海森伯格不確定性原則，不可能在任何給定時刻確切確定粒子的速度和位置。相反，粒子的特徵是波函數，該波函數表示粒子處於給定的物理狀態的概率。
量子計算
在量子計算中，而不是0和1s，信息是在該波函數和波頻譜中可能的無限變化中編碼的。
“您在設置計算物品的價值方面具有更大的靈活性。”克里斯·範·德·沃爾（Chris Van de Walle）他作為加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的教授研究潛在的量子系統。 “您可以在您現在使用的某些實體的波函數中編碼任何連續值，這些價值現在將其用作計算的基本單位。”
如果聽起來很遙遠，那就是。量子位是代表1或0的基本信息單位，在量子計算中，量子位可以同時代表1和0。在過去的十年中，研究人員研究了設計量子位（或量子）實際實施的各種方法。沒有一個即將完成。
范德爾說：“如果您可以提出這樣的量子位並將其納入計算體系結構，從理論上講，您可以在計算上解決問題，這些問題目前不可行。” “最大的挑戰是提出這些量子位的特定實現。”
有希望的顆粒
最有希望的實現之一是鑽石缺陷，導致材料基質中缺少碳，附近有流氓氮原子。這種改變的結構會產生一個孔或空缺（稱為NV（氮空位）中心），其特定波函數許多人認為可以有效地操縱量子計算。
在行業中，缺陷是負面的。但是，當涉及量子計算的材料時，正是缺陷使計算成為可能。
范德爾·沃爾（Van de Walle）說：“缺陷實際上是一個好演員。” “這是您要用作計算單元的量子。”
鑽石中心
NV中心在鑽石中的最大優勢是它們在室溫下運行的能力，而不是像其他量子計算系統一樣需要接近零的溫度。 NV中心的電子也可以長期保持連貫性，並由外部力量操縱。
Van de Walle說：“您可以控制晶體中空缺的位置，並且可以用具有特定波長的激光束非常準確地探測它。”
范德·沃爾（Van de Walle）是缺陷和雜質的專家，一直與加州大學聖塔芭芭拉（UC Santa Barbara）的實驗專家戴維·阿夫沙洛姆（David Awschalom）和量子計算專家密切合作，以揭露鑽石中心的原子級動力學。範·德·沃爾（Van de Walle）關於國家科學基金會支持的遊俠超級計算機的計算模擬德克薩斯州高級計算中心NV中心的實驗結果匹配。
充電的缺陷
模擬還增加了一些有關NV中心的重要信息。特別是，他們發現缺陷的電荷狀態在實現可用波長方面起著至關重要的作用。這意味著必須控製材料摻雜才能控制可以進入空缺的電子數量。
范德爾說：“對於鑽石中的NV中心，最佳費用狀態是一個負電荷狀態。” “對於其他材料中的缺陷，它可能是一種不同的充電狀態，僅通過猜測費用狀態，您就無法知道這是否是一個不錯的選擇。但這就是我們可以計算出來的。”
模擬數百個原子的量子機械相互作用需要數千個在數天工作的計算機處理器。范德爾說：“沒有能力在德克薩斯州高級計算中心的超級計算機上運行，我們根本就無法完成這個項目。”
高保真量子模擬激發了研究人員的實驗合作者之間的信心，並為實驗室實驗產生了新的想法。
範·德·沃爾（Van de Walle）說：“能夠在缺陷領域掌握我們的專業知識並創造性地使用某些特性設計缺陷。” “能夠挖掘我們對缺陷的了解並使用所有這些知識來構建具有給定屬性的缺陷，這是令人興奮的。”
編者註：幕後描繪的研究人員已得到文章的支持國家科學基金會，聯邦機構負責在科學和工程領域的所有領域資助基礎研究和教育。本材料中表達的任何觀點，發現和結論或建議都是作者的意見，不一定反映了國家科學基金會的觀點。看到幕後檔案。
