Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
本文报告了对 Zeus-256 的实验基准测试，这是一种利用新型光学可编程生物分子量子总线的室温 256 位 NV 色心量子处理器，该处理器成功执行了包括 84 位整数的 Shor 算法在内的复杂算法以及高保真纠缠协议，尽管它尚未展示出量子优越性。
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量子计算有望解决目前即使是最强大的超级计算机也无法处理的问题，但制造出这样一台机器却极其困难。核心挑战在于保持脆弱量子信息的稳定性。在许多系统中，用于存储数据的微小粒子（称为量子比特）如果过热或与环境发生相互作用，其特殊的性质会几乎瞬间消失。这通常迫使科学家将机器冷却到接近绝对零度的温度，这需要庞大且复杂的制冷系统。另一个障碍是连接这些量子比特。为了进行计算，量子比特必须相互通信，但在许多设计中，它们只能与紧邻的邻居进行通信。为了将信息从芯片的一侧传递到另一侧，计算机必须通过一长串邻居进行传递，这会减慢速度并引入误差。研究人员一直提出的问题是，是否可能制造出一种可以在室温下运行、并且能够实现大脑任何部分与其它任何部分连接的大型实用量子计算机，而无需这些缓慢且易出错的链条。
现在，一组研究人员展示了一种新型量子处理器，它可以在室温下运行，并使用一种独特的生物材料来解决连接问题。他们构建了一个名为 Zeus-256 的设备，该设备包含 256 个活跃的处理单元，即逻辑量子比特，排列成网格状。不同于其他可能通过随时间重复使用少量量子比特来模拟大型机器的系统，这 256 个单元中的每一个都是活跃且同时工作的。该处理器构建在一个含有氮-空位中心的小型钻石晶体上，这些中心是钻石结构中的微小缺陷，充当量子比特。这些缺陷通过微波和无线电波进行控制，并通过光进行状态读取。最显著的创新在于量子比特如何相互通信。研究人员并没有依赖物理导线或移动量子比特，而是在钻石上方放置了一层特殊的蛋白质类材料。这一层充当了可编程的桥梁，或称“量子总线”，可以通过光进行调节，从而连接芯片上任何两个距离较远的量子比特。这使得计算机能够执行复杂的运算，而不会受到因距离产生的通常延迟的影响。
研究人员通过运行各种标准的量子算法来测试这台机器，以观察其性能如何。他们成功执行了旨在创建复杂纠缠态、搜索特定模式以及进行数学计算的电路。其中一个令人印象深刻的测试涉及一种用于寻找大数因子的著名算法，这项任务是现代密码学的核心。团队在 11 个不同的数字上运行了该算法，范围从小的 8 位整数到巨大的 84 位整数。对于需要所有 256 个量子比特协同工作的最大数字，机器在 10 次尝试后记录了一个“因子恢复”标志。然而，该研究并未披露具体的因数、每次尝试的成功次数或单次尝试的成功概率。这个困难计算的整个过程耗时仅略超过半秒钟。在另一个测试中，该机器创建了一种涉及全部 256 个量子比特的特定高度纠缠态。当他们测量这种状态的质量时，发现其与理想理论目标的保真度接近 99.9%，这表明尽管处于室温环境，量子信息仍保持得异常稳定。
研究还测量了机器完成这些任务所需的时间。研究人员发现，运行程序所需的时间更多取决于指令的复杂性和计算的具体结构，而非仅仅取决于所使用的量子比特数量。例如，由于指令更为复杂，一些使用较少量子比特的计算比使用更多量子比特的计算耗时更长。这表明处理器的速度是由软件如何转化为控制钻石的物理脉冲决定的，而不是仅仅由寄存器的大小决定。团队还通过测量量子比特对之间的相关性，验证了该机器确实是以量子方式运行的。结果显示出的连接水平是经典物理学无法实现的，从而证实了该设备作为一个真正的量子系统在运行。
虽然这台机器是一个重要的进步，但研究人员谨慎地指出其已取得和尚未取得的成就。他们明确表示，这项工作尚未证明该机器能够比最优秀的经典计算机更快地解决问题，即尚未达到所谓的“量子优越性”里程碑。提供的计时数据是处理器内部执行速度的度量，并不包括计算机翻译用户代码或收集及分析光信号所需的时间。这个 256 量子比特的设备是他们目前构建并测试的最大版本。他们描述了一个未来的工程目标，即将这种设计规模扩大到近 10,000 个量子比特，但他们澄清说，这个更大的版本尚未建成。目前的成功依赖于一种作为连接层的专利生物材料，其精确的化学成分并未公开。然而，使用这种方法制造的机器能够在室温下协调 256 个量子比特并执行复杂的远程相互作用，这一事实表明，通往更大、更实用的无需极端冷却的量子计算机之路是切实可行的。这项工作证明，结合基于钻石的量子比特、核自旋存储以及受光控制的生物桥梁，可以创造出一个能够处理实质性计算任务的功能性室温量子处理器。
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