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金刚石量子计算教学机介绍 2：摩尔定律、量子计算和NV色心
1965年，戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律：集成芯片上的晶体管数目，约每隔18个月就会增加一倍，相应的性能也会提升一倍。
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ENIAC与摩尔定律
庞大的ENIAC
信息化时代，计算机已是人们生活中不可或缺的一部分，为人们的日常生活和工作带来了诸多便利。然而诞生于1946年的第一台通用电子计算机ENIAC体积有170平方米，重量达30吨，装有17468个电子管，耗电量和发热量大，每秒仅能计算5000次加法或400次乘法，并且时常因过热和电子管故障而停止工作，但其数学能力和通用可编程能力仍具有划时代的意义。
随着集成电路的出现和迅猛发展，计算机小型化成为可能。1965年，戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律：集成芯片上的晶体管数目，约每隔18个月就会增加一倍，相应的性能也会提升一倍。但随着集成度的不断提升，纳米尺度已成为集成电路不可避免需要考虑的情况，量子效应将出现并逐渐占据主导地位。经典计算机的性能提升将会遇到瓶颈，但是人类的需求却是无止境的。
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量子计算
1982年，理查德·菲利普斯·费曼（Richard Philips Feynmann）在一个著名的演讲中提出经典计算机很难模拟量子系统演化，因为庞大的希尔伯特空间意味着数据量的庞大，而利用量子体系可以实现有效的模拟。
量子计算
随着一些量子算法的诞生，对于某些复杂甚至可能超过通用计算机的计算极限的问题，量子计算有着明显的优势。量子计算拥有着巨大的应用前景，将在密码分析、金融投资、气象预报、材料设计、石油勘探、药物设计、物流优化等领域带来前所未有的变革。
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DiVincenzo准则
经典比特和量子比特
2000年，戴维·狄文森佐（David P. DiVincenzo）提出了实现量子计算的5条标准以及实现量子计算机之间通信的两条标准，这里介绍下实现量子计算的五条标准，具体内容如下：
1，可扩展的物理体系，并且具有良好定义的量子比特。例如电子自旋。
2，将量子比特初始化为特定的态。例如|000…〉态。
3，一组普适的量子逻辑门。例如两比特受控非门和单比特量子逻辑门。
4，长的相干时间长，即相干时间必须远超于每个量子逻辑门的时间。
5，量子比特的测量能力。
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NV色心体系
金刚石NV色心是金刚石晶体中的一种缺陷，由一个取代碳原子的氮原子和相邻一个空位（碳原子缺失）组成。NV色心有六个电子，两个来自氮原子，三个来自与空位相邻的碳原子，另外一个是俘获的（来自施主杂质的）电子。
金刚石中氮空位（NV）色心的四个可能方向。碳原子以黑色表示，氮原子以蓝色表示，空位（V）以白色表示。NV电子旋转由红色箭头指示。
金刚石NV色心是一种符合DiVincenzo标准的量子计算体系。金刚石NV色心一般存在两种电荷状态，一种是电中性的NV0，另一种是带一个负电荷的NV-，量子计算中用到的体系一般为后一种（如无特殊说明，本文中提到的金刚石NV色心均为NV-）。NV色心的基态可以等效为自旋为1的电子自旋，其中的两个自旋能级可以用来编码量子比特。结合N（N的两种同位素14N和15N均具有核自旋）以及近邻的13C核自旋，每个NV色心可以与附近的核自旋组成数个量子比特的量子寄存器。不同的NV色心可以通过磁或光子的方式耦合，从而形成用以量子计算的可扩展系统。
通过12C同位素富集，NV色心中量子比特可具有长的相干时间。可以通过施加激光实现对NV色心电子自旋的初始化和读出，通过施加微波和射频脉冲实现量子逻辑门。目前NV色心自旋体系的单比特量子逻辑门的保真度可达99.995 %，两比特量子逻辑门的保真度可达99.2 %。
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金刚石量子计算教学机
金刚石量子计算教学机，是一台基于金刚石中NV色心和自旋磁共振为原理，通过控制激光、微波、磁场等物理量，对NV色心的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算功能的教学仪器。
全球首款面向大众的金刚石量子计算教学机
该仪器在室温大气条件下运行，无需低温真空环境，使得设备有着几乎为零的运行成本，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学和量子计算实验教学。
实验内容
不仅如此，金刚石量子计算教学机丰富的硬件模块还支持学生动手搭建和调试，多功能的软件支持自定义脉冲序列编写。该仪器可以提供完整的基于金刚石NV体系的量子计算教学和实验内容，从基础的量子力学实验到量子计算算法实验，帮助和促进高校、科研机构在开设、优化大学物理实验课、近代物理实验课、量子信息科学专业课程，推进量子力学学科建设，创新学科教学内容，提高学科水平和教学质量的相关工作。
基于金刚石量子计算教学机，国仪量子可以提供量子计算教学相关的实验室建设、教学讲义、教学视频、教学课件、示范课培训等整体配套解决方案，辅助学校轻松开设实验课程。
注：部分信息及图片来源于网络
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