近日，富士通與荷蘭企業QuTech（代爾夫特理工大學旗下企業）合作，成功展示了用于金剛石自旋量子比特的完整通用量子門組，該研究的自旋量子比特錯誤概率低于0.1%，達到了目前所有量子硬件技術中的最高保真度。這一突破標志著金剛石自旋量子比特在量子計算領域的可行性大幅提升，為未來的量子糾錯和實用量子計算奠定了重要基礎。金剛石自旋量子比特的核心在于氮空位（NV）中心，這是一種包含缺陷的金剛石結構，其中氮原子取代了碳原子，并與相鄰的空位形成了穩定的電子自旋態。這種系統由電子自旋和氮核自旋組成雙量子比特，可以在較長時間內保持量子信息，成為量子計算的理想選擇。

       當前，大多數超導量子比特需要在接近絕對零度（~20mK）的溫度下運行，而金剛石自旋量子比特可以在約10K的環境下運行，比超導量子比特的溫度高出100倍，使其明顯降低了對極端低溫冷卻系統的需求，從而降低了量子計算機的運行成本和復雜性。

       此外，金剛石自旋量子比特的另一個關鍵優勢是可以通過光子進行量子態傳輸，與超導量子比特主要依賴微波信號的方式不同。這種光學特性使得金剛石自旋量子比特可以直接與光學互連連接，成為量子網絡和分布式量子計算的理想方案。由于金剛石內部的電子自旋受到的環境噪聲較少，NV中心的相干時間比超導量子比特更長，因此金剛石量子比特在執行量子運算時能夠減少錯誤，并且更適用于需要長時間計算的量子算法。

       金剛石自旋量子比特的高性能離不開高純度的人造金剛石襯底。此次研究使用的基板由Element Six（元素六）和代爾夫特理工大學共同開發，通過降低碳-13同位素濃度（從1%降至0.01%）來減少系統噪聲，提高量子比特的保真度。這種精確控制碳同位素的策略顯著降低了自旋相互作用，從而提高了量子計算的穩定性。

       為了提高金剛石自旋量子比特的穩定性，研究團隊采用了兩項關鍵技術。首先是去耦柵極（Decoupling Gates），由于環境噪聲是量子比特主要的干擾來源，該團隊使用了受控脈沖序列來減少外部噪聲的影響。這些序列的優化能夠最大程度地保留量子信息，使金剛石量子比特的相干時間進一步延長。其次是柵極斷層掃描（Gate Set Tomography, GST），這是一種高精度測量技術，可用于分析量子比特和量子門的誤差來源。該技術能夠提供量子門操作的完整誤差信息，并優化所有操作參數，如門脈沖強度等，從而提高量子計算的精確性。

       富士通表示，該公司正計劃擴大使用的量子比特數量，并專注于以下領域的發展：

       首先是開發光學量子芯片，通過利用金剛石自旋量子比特的光學傳輸特性，研究團隊希望開發高效的光學量子芯片，以便更好地支持分布式量子計算和量子網絡。

       其次是集成CryoCMOS（低溫互補金屬氧化物半導體）控制電路，在量子計算機系統中，控制電路通常需要在極低溫度下工作。CryoCMOS技術可以提供低溫工作條件下的高效電子控制，從而優化金剛石量子比特的操作，并減少能耗。

       此外，目前研究仍處于較小規模的實驗階段，但隨著技術的進步，未來有望實現包含成千上萬個金剛石量子比特的計算系統。這將使金剛石量子計算機具備實際的商業價值，并推動量子計算進入可擴展、實用化的階段。

       隨著金剛石量子計算技術的發展，對高純度金剛石基板的需求將顯著上升。Element Six等公司正在推動人造金剛石的制造技術，以滿足這一新興市場的需求。由于金剛石量子計算機具有更高的運行溫度、更長的相干時間和光學互連的能力，其在未來有望成為超導量子計算的重要競爭者。

       目前，IBM、谷歌、英特爾等企業主要集中在超導量子計算技術，而富士通和QuTech的突破則為金剛石自旋量子計算提供了新的可能。此外，金剛石自旋量子比特可通過光子進行量子態傳輸，使其天然適用于量子互聯網和分布式量子計算。這一特性可能會推動全球量子通信網絡的發展，并加速安全加密、遠程計算等領域的技術進步。

       目前，多家企業在金剛石量子技術領域展開了積極的研究與應用。

       中南鉆石有限公司與中國電科第十三研究所合作，在金剛石量子探測領域取得了重要進展。他們采用MPCVD方法制備高濃度金剛石氮-空位色心，并研究其性能，成果發表在《物理學報》上。 

       德國企業Quantum Brilliance專注于基于金剛石的量子計算機開發。該公司與拉籌伯大學和皇家墨爾本理工大學建立了聯合研發中心，目的在于增強基于金剛石的量子計算能力，并推動相關技術的大規模制造。
       荷蘭公司QT Sense致力于開發基于金剛石量子傳感技術的單細胞水平檢測方法，用于疾病診斷。他們利用特制的納米金剛石與單個細胞相互作用，監測細胞活動，以實現早期疾病診斷。近期，該公司成功融資600萬歐元，用于進一步優化其量子傳感產品。 

       富士通和QuTech在金剛石自旋量子比特上的突破性進展，為量子計算技術提供了新的可能性。相較于傳統超導量子計算，金剛石量子比特具備更長的相干時間、更高的工作溫度以及光學互連的特性，使其在可擴展性和實用化方面具備巨大潛力。未來，隨著光學量子芯片、CryoCMOS控制電路的進一步發展，以及大規模量子比特架構的建立，金剛石自旋量子計算機有望成為量子計算產業的重要組成部分，并在量子互聯網、分布式計算等領域發揮關鍵作用。