幕后文章是与国家科学基金会合作提供给生活方面的。
量子计算机可能代表技术的下一个主要范式转移。从理论上讲，这样的计算机可以使用一小部分能量执行更快，更复杂的计算。但是，实际上，构建量子计算机是一个非常棘手的工程挑战。
在原子水平上，粒子的行为不会以人们对古典物理定律的期望。根据海森伯格不确定性原则，不可能在任何给定时刻确切确定粒子的速度和位置。相反，粒子的特征是波函数，该波函数表示粒子处于给定的物理状态的概率。
量子计算
在量子计算中，而不是0和1s，信息是在该波函数和波频谱中可能的无限变化中编码的。
“您在设置计算物品的价值方面具有更大的灵活性。”克里斯·范·德·沃尔（Chris Van de Walle）他作为加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的教授研究潜在的量子系统。 “您可以在您现在使用的某些实体的波函数中编码任何连续值，这些价值现在将其用作计算的基本单位。”
如果听起来很遥远，那就是。量子位是代表1或0的基本信息单位，在量子计算中，量子位可以同时代表1和0。在过去的十年中，研究人员研究了设计量子位（或量子）实际实施的各种方法。没有一个即将完成。
范德尔说：“如果您可以提出这样的量子位并将其纳入计算体系结构，从理论上讲，您可以在计算上解决问题，这些问题目前不可行。” “最大的挑战是提出这些量子位的特定实现。”
有希望的颗粒
最有希望的实现之一是钻石缺陷，导致材料基质中缺少碳，附近有流氓氮原子。这种改变的结构会产生一个孔或空缺（称为NV（氮空位）中心），其特定波函数许多人认为可以有效地操纵量子计算。
在行业中，缺陷是负面的。但是，当涉及量子计算的材料时，正是缺陷使计算成为可能。
范德尔·沃尔（Van de Walle）说：“缺陷实际上是一个好演员。” “这是您要用作计算单元的量子。”
钻石中心
NV中心在钻石中的最大优势是它们在室温下运行的能力，而不是像其他量子计算系统一样需要接近零的温度。 NV中心的电子也可以长期保持连贯性，并由外部力量操纵。
Van de Walle说：“您可以控制晶体中空缺的位置，并且可以用具有特定波长的激光束非常准确地探测它。”
范德·沃尔（Van de Walle）是缺陷和杂质的专家，一直与加州大学圣塔芭芭拉（UC Santa Barbara）的实验专家戴维·阿夫沙洛姆（David Awschalom）和量子计算专家密切合作，以揭露钻石中心的原子级动力学。范·德·沃尔（Van de Walle）关于国家科学基金会支持的游侠超级计算机的计算模拟德克萨斯州高级计算中心NV中心的实验结果匹配。
充电的缺陷
模拟还增加了一些有关NV中心的重要信息。特别是，他们发现缺陷的电荷状态在实现可用波长方面起着至关重要的作用。这意味着必须控制材料掺杂才能控制可以进入空缺的电子数量。
范德尔说：“对于钻石中的NV中心，最佳费用状态是一个负电荷状态。” “对于其他材料中的缺陷，它可能是一种不同的充电状态，仅通过猜测费用状态，您就无法知道这是否是一个不错的选择。但这就是我们可以计算出来的。”
模拟数百个原子的量子机械相互作用需要数千个在数天工作的计算机处理器。范德尔说：“没有能力在德克萨斯州高级计算中心的超级计算机上运行，我们根本就无法完成这个项目。”
高保真量子模拟激发了研究人员的实验合作者之间的信心，并为实验室实验产生了新的想法。
范·德·沃尔（Van de Walle）说：“能够在缺陷领域掌握我们的专业知识并创造性地使用某些特性设计缺陷。” “能够挖掘我们对缺陷的了解并使用所有这些知识来构建具有给定属性的缺陷，这是令人兴奋的。”
编者注：幕后描绘的研究人员已得到文章的支持国家科学基金会，联邦机构负责在科学和工程领域的所有领域资助基础研究和教育。本材料中表达的任何观点，发现和结论或建议都是作者的意见，不一定反映了国家科学基金会的观点。看到幕后档案。
