要实现量子计算的巨大前景，就需要在各个层面上都进行新的研究，包括量子计算硬件本身也是如此。劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）领导的一个国际研究小组，他们最近发现了一种使用离子束在钻石中形成长串色心量子比特的方法，其研究成果发表在近期的《应用物理快报》上。

在足够近的距离内创建彼此耦合的大量高品质的量子比特是量子计算的巨大挑战之一。该研究团队与世界各地的同事合作，一直在探索使用离子束在钻石中创建人造色心以用作量子比特的问题。色心是一种微观缺陷，量子比特感兴趣的缺陷类型是菱形晶格中紧挨着氮原子的空位。钻石晶格主要是碳的结晶形式，氮通常也存在于这种晶体结构中，它的存在导致了钻石形成不同的颜色。

通过快速传递离子进行能量沉积激发，会在钻石晶格中形称氮空位(NV)中心。氮空位中心和相邻碳原子的电子和核自旋都可以充当固态量子比特，并且晶格可以帮助保护它们的相干性和相互纠缠。这是不需要在低温环境中运行的耐用物理系统，对于量子传感器以及固态量子计算机中的量子比特都是很有吸引力的属性。然后，制造足够多的量子比特并使它们彼此足够接近，这一直是一个极难的挑战。

伯克利国家实验室的团队使用快速（高能量）的重离子（动能约为10亿电子伏特的金离子）穿过掺氮的钻石材料时，它们会在其轨迹中留下一排氮空位。他们发现色心会直接形成，无需进一步退火处理。更重要的是，色心是沿着整个离子轨迹形成，而不像早期对低能量离子所研究的那样仅在离子范围的末端形成。这些色心量子比特在数十微米的范围内一一对齐，并且与最近的邻居只有几纳米的距离。

另外，伯克利实验室的分子铸造厂开发了一种技术可以实现深度分辨率测量色心。该研究团队的下一步工作是，将从物理上切出这样一组色心（就像一根绳子上的一系列珠子)，并表明它们确实紧密耦合，可以用来作为量子寄存器。

该团队发表的论文结果表明，在大约50微米的距离内，将可能形成多达约10,000个耦合量子比特的量子寄存器。迄今为止，这比使用离子阱互补技术制造量子比特的数量要大2个数量级。

伯克利离子束技术计划负责人、物理学家和高级科学家Thomas Schenkel说道：“数十年来，人们出于各种目的，研究了快速重离子与材料的相互作用，包括核材料的行为以及宇宙射线对电子的影响等......全世界的研究人员都在试图通过人工诱导钻石的色心来制造量子材料。量子计算机硬件的固态方法可以很好的扩展，但是集成一直是个挑战。这是首次观察到沿直线直接形成色心量子比特。”

在微小且暂短的尺度上(纳秒和皮秒)，离子束所的能量沉积会产生高温状态，Schenkel将其比作太阳表面，其处于于5000K范围内并具有压力。除了将碳原子从钻石晶格中敲除外，这种效应还可以对瞬态温暖致密物质的奇异状态进行基础研究，这种物质是一种存在于很多恒星和大行星中但是很难直接在地球上研究的物质状态。

该研究可能能够形成常规方法无法形成的、具有专门特性的新型量子比特技术。Schenkel说：“这扩大了我们制造量子寄存器的能力，开辟了一条新的道路。”

目前，色心串是由大型粒子加速器的光束形成的，本研究中使用的是德国实验室GSI的光束器。将来可能会使用紧凑的激光等离子加速器来制造，例如用伯克利实验室激光加速器（BELLA）中心开发的加速器。BELLA中心正在美国能源部科学办公室的资助下，积极开发其离子加速能力。激光等离子体加速产生的离子脉冲非常强烈，能极大地扩展在新条件下形成用于制造量子比特的高激发态和热态材料的瞬态能力。（编译: Qtech）