室温下的量子比特
SaxonQ：“要指望钻石！”
无需复杂冷却，几乎没有占空间的外围设备，极其紧凑的结构，较长的相干时间——这些都是 SaxonQ 钻石量子计算机的优势。SaxonQ 首席执行官马里乌斯·格伦德曼教授在接受《Markt&Technik》采访时解释了为何它们很快将在数据中心投入使用。
“我们拥有出色的量子比特，并且是在一种高度稳定的材料——钻石中实现的。”SaxonQ 的联合创始人、与首席技术官 Jan Meijer 教授共同创办该公司的 Marius Grundmann 教授如此说道。该公司目前拥有 15 名员工，专注于一种特殊技术下的量子处理器开发：在钻石晶格中植入氮-空位缺陷（NV 中心）。由于钻石极高的稳定性，非常适合用于制造量子比特——但要将其理论潜力转化为现实，并非易事。因为氮-空位必须以极高的精度（精确到纳米级）植入到钻石晶格中。
钻石量子计算机的工作原理
简要说明钻石中缺陷如何起作用：当一个碳原子被氮原子取代，并在其相邻位置出现一个空位（空缺）时，这个系统就表现得像一个人工原子，形成一个量子比特。更多的量子比特可以通过附近的碳原子形成，但这并非任意碳原子，而是必须是 C13 同位素。然而，这些同位素在晶格中较为稀少，因为天然钻石晶格中大约 99% 的碳原子是 C12。
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走出实验室，走进现实生活！ |
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SaxonQ 最近在汉诺威工业博览会上展示了全球首次在移动量子计算机上的现场演示。此次演示采用了 Quantum Machines 的技术。来自莱比锡的这家初创公司在展台上进行了氢分子（H₂）能级的量子化学计算以及实时图像识别——而且是在日常环境中、室温下进行的，并非在舒适的实验室条件下。这是全球首例，生动展示了 SaxonQ 移动量子计算机的潜力。 “这次成功的演示证明了我们能够在现场执行可靠的量子操作——这是将量子计算应用于工业领域的重要一步。”SaxonQ 首席执行官 Frank Schlichting 博士在汉诺威博览会上表示。 Quantum Machines 的“OPX+”系统——一种高精度微波电子系统——在本次演示中发挥了关键作用。该系统可在复杂的真实环境中实现精确、动态的量子比特控制，同时大幅降低系统负担并确保稳定性。“精准可靠的量子控制是实现现实量子计算应用的关键。”Quantum Machines 的首席执行官兼联合创始人 Itamar Sivan 表示。 |
多年来，莱比锡大学的梅耶教授（Prof. Jan Meijer）领导的“应用量子物理”研究小组一直致力于钻石材料的研究。从 2000 年代起，NV 中心逐渐成为量子计算研究的焦点——当然主要是在理论层面。因为在实验室中制造这些 NV 缺陷本身就已十分困难，更不用说工业化了，这也让许多人望而却步。然而，由于 NV 中心在量子计算机中应用的前景极具吸引力，半导体物理学家马里乌斯·格伦德曼（Marius Grundmann）和扬·梅耶（Jan Meijer）坚定地推进了这一方向的研究，在全球范围内也属于少数派。
硫元素是关键差异
他们开发出了一项专利工艺，在将氮原子注入钻石的同时，还通过离子注入的方式引入了硫原子。这成为日后实现技术突破的关键步骤之一。简单来说：氮原子与硫原子联合注入不仅不会使过程更复杂，反而使 NV 中心的生成更加可靠、可复制，为工业化铺平了道路。
当两个原子准确地到达预定位置后，来自硫原子的一个电子会跳跃过来，从而形成一个带负电荷的氮空位中心，简称 NV⁻ 中心（英文中 N 代表氮，V 代表空位）。
2019 年 —— 突破性的进展
2019 年，莱比锡大学实现了重大突破：“我们首次在全球范围内获得了高产率的稳定 NV 中心。”马里乌斯·格伦德曼回忆道。接下来，关键是将这一工艺实现规模化、工业化，并构建一个量子处理器（QPU）。为此，格伦德曼和梅耶于 2021 年从大学中创立了 SaxonQ 公司，并接手了所有相关专利：“如今，我们已经能够在工业环境中以超过 90% 的高良率，稳定地制造出可重复的 NV 色心。”
| 迈向工业化之路 |
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SaxonQ 迄今已获得 100 万欧元的种子轮投资。与量子计算领域的其他初创公司相比，这一金额非常少，尤其是与同样专注于钻石中 NV 缺陷的公司相比。马里乌斯·格伦德曼教授表示：“以我们目前有限的资金和相对极少的员工所取得的成果，在国际舞台上完全值得称道。我们不是在做模拟，而是在展示真正运行的系统。我们的技术受专利保护，而且我们能够明确展示一条通往未来的发展路径——因为与其他量子计算技术相比，我们的系统具有更强的可扩展性和工业化潜力。” Pava Partners 的合伙人丹尼尔·克罗尔（Daniel Kroll）对此也表示认同。该公司在当前融资轮中担任 SaxonQ 的并购顾问：“SaxonQ 拥有一条明确且技术扎实的发展路线图。技术优势非常清晰：能耗显著降低，同时性能大幅提升，具备良好的可扩展性和工业可行性，而且成本具有市场竞争力。” 此外，SaxonQ 还针对一个真实且日益严重的问题——训练大型人工智能模型所带来的能耗激增。SaxonQ 提供了解决这一紧迫未来挑战的潜力，其技术已通过验证，团队经验丰富，商业模式成熟，也因此赢得了投资者的认可。 对于通常在五到八年内寻求成功退出的风险投资基金来说，SaxonQ 提供了极具吸引力的前景：明确的扩展计划、现实的工业化路径，以及一项在科学上得到验证、在实践中已被证明可行的技术。目前，SaxonQ 正与潜在投资者进行积极洽谈。 格伦德曼教授也对首轮融资充满信心，因为 SaxonQ 在资源有限的情况下，已取得比许多拥有数倍资金的公司更大的成果。但现在迫切需要新资本：流程需要进一步开发，设备必须优化，并从实验室转移到现有晶圆厂（Fabs）中。为此，显然需要更多员工和更多资金。但正如迄今所展示的，这也将显著提升公司价值。 |
在全球竞争中的独特地位
由于年轻的 SaxonQ 在该领域拥有多年的经验，并获得了莱比锡大学的专利，马里乌斯·格伦德曼教授坚信，SaxonQ 在全球竞争中处于非常有利的位置：“据我所知，目前没有其他公司拥有真正有效的制备工艺。”谁若想要开发类似工艺，尤其是在工业规模上，就绕不开 SaxonQ 的专利。至今他也未见到可行的替代方案。
回到 SaxonQ 的 NV 中心。它的最大优势之一是：每个 NV 中心至少可以实现两个量子比特。一个是通过 NV⁻ 中心的电子自旋实现的，另一个是通过氮原子的核自旋。此外，还可以利用 C13 原子的核自旋构建更多量子比特（C12 原子则没有核自旋）。这些量子比特可以通过不同频率的微波（GHz 和 MHz 级）分别进行操作和控制。
每个 NV 中心最少可以集成四个量子比特（包括 NV⁻ 中心、氮原子和两个 C13 原子），如果使用更多 C13 原子，甚至可以实现八个或更多量子比特。实现进一步扩展的关键在于能否将多个 NV 中心互相耦合，并以不同的拓扑结构连接起来。“我们可以根据具体应用场景定制拓扑结构，这为实际部署提供了更多灵活性——而且，如前所述，这一切都可以在高良率的工业规模下实现，成本也具有优势。”格伦德曼解释说。目前，SaxonQ 正在开发一个具备两个互联 NV 中心的可扩展量子计算机。
那么，关于原材料——钻石的质量又如何呢？“市面上确实有标准材料供应商，例如戴比尔斯（De Beers）的子公司 Element Six。”格伦德曼指出。同时也有一些初创公司正在研究为量子处理器（QPU）优化的钻石晶格。例如，Diatope 公司与德国航空航天中心（DLR）旗下的量子计算倡议（QCI）产业合作伙伴正共同开发一套用于钻石表面的新型蚀刻、终止和涂层工艺，以消除缺陷，减少钻石表面对量子比特的干扰。因此，未来在材料质量提升和离子注入优化方面将会有更多进展。
首先要关注的是物理量子比特
对马里乌斯·格伦德曼教授而言，一个特别重要的点是：现在谈论的是物理量子比特。“我们仍然处于 NISQ 时代；要实现足够数量的逻辑量子比特以执行有意义的计算，仍然非常困难且成本高昂。”
简要解释一下 “NISQ” 的缩写：它代表 “Noisy Intermediate-Scale Quantum（噪声中等规模量子）”，指的是目前只能非常有限地进行错误校正的量子计算机。虽然未来可容错、具备数千个量子比特并能使用大量逻辑量子比特的量子计算机已现雏形，但要真正走出 NISQ 时代还需要时间。因此，格伦德曼强调，现在就必须使 NISQ 系统能用于实际应用：“这正是我们正在努力实现的目标。”
非常幸运的是，SaxonQ 的 QPU 即使只包含少量 NV 中心，也已经能够执行有意义的任务。SaxonQ 已基于 NV QPU 构建出真正可用的量子计算机，帮助用户迈出进入量子计算新时代的第一步。早在 2023 年 9 月，SaxonQ 就向德国航空航天中心（DLR）交付了这样一台系统，研究人员已将其接入网络，并在汉堡运行。想要亲眼见到这台设备的观众，可以在“世界量子展（World of Quantum）”的 DLR 展位上详细了解。此外，另一台 SaxonQ 量子计算机也即将交付给位于德累斯顿的弗劳恩霍夫光子微系统研究所（IPMS）。
轻松扩展
下一步的计划是为 QPU 配置四个 NV 中心（32 个量子比特），随后扩展到八个，并在未来不断翻倍。格伦德曼教授表示：“我们现在能够将两个 NV 中心以低成本、稳定、可复制地植入钻石中，这是一次真正的突破。从两个扩展到四个、再到八个，仅是技术上的小步迈进。关键的基础构件已经到位，现在就像在玩乐高积木，只需要把它们组合起来。”
而过去在制造中极具挑战性的 NV 中心，如今反而成为一个显著优势：“我们可以在不到 1 平方微米的区域内集成 1000 个量子比特。这太梦幻了！”格伦德曼说。在一个仅 2 毫米 x 2 毫米的 SaxonQ 芯片上，甚至可以容纳多个 QPU。
即便当前可用的低成本量子比特数量还不多，仍然可以处理一些极具价值的应用场景，例如机器学习与人工智能，特别是图像识别和大型语言模型（LLM）。量子计算的一大优势在于：基于量子比特，某些任务的处理速度将远远超过现今乃至未来所有传统晶体管数字计算机的极限。
既能数字计算，也能模拟处理——一个巨大优势
SaxonQ 量子计算机的另一个重要特点是：它们不仅可以进行数字运算，也能支持模拟计算。这是因为其量子比特能够进行某些特殊操作，极大简化计算过程。例如，一个量子比特就足以编码一个像素的亮度和色彩信息。“这非常高效，也正是我们耗能如此之低的原因之一。”这尤其适用于机器学习和人工智能（AI），因为这些领域使用的是容错性算法。“在这类优化任务中，出现一定的误差反而是有益的，”格伦德曼解释说。“保真度达到 99% 就足够了，而我们无需额外努力就能实现这一点。”
各种物理实现方式的对比
在实现量子比特和量子处理器（QPU）的硬件方面，有许多不同路径。最早的实现之一是超导约瑟夫森结（Josephson junction）。该技术的一个显著缺点是：必须将 QPU 冷却至绝对零度以上仅几毫开尔文的极低温度。这需要复杂的低温技术，并且必须将控制线连接到这些深度冷却的 QPU 上，通常还需要昂贵且占地大的外围设备。
其他方法，如离子阱和中性原子技术，也需要通过激光将量子比特冷却至几开尔文，虽然略为简单，但仍需大量空间和资金。
常温运行：钻石 QPU 的独特优势
而 SaxonQ 的钻石 QPU 天然规避了这些问题。虽然用于形成 NV 中心的原子核也需要冷却——但只需至 15 毫开尔文即可。“不过这仅仅针对原子核本身，对它们进行冷却不复杂。我们使用普通标准激光器通过激光脉冲实现超极化即可。”格伦德曼说，“无需复杂的低温系统，QPU 和全部外围设备都可以在室温下运行。”
QPU 上的线路也可以使用标准光刻工艺在现有设备上制作。这方面也具备巨大的扩展空间，比如线路的进一步微缩和多层堆叠，就像集成电路（IC）制造中那样。
许多在半导体制造中早已成熟的设备和工艺原则上也可用于钻石 QPU 的生产，这使得其制造具备成本优势。当然，也有关键工艺需要特殊设备，例如 Prof. Jan Meijer 所开发的离子注入技术。格伦德曼表示：“我们所有核心工艺所需的设备原则上都已存在。一旦完成四个 NV 中心 QPU 的制造工艺开发，我们就能明确所有设备所需具备的功能。”SaxonQ 正在公司内部开发这些设备并在试产线上使用。同时，也正与设备制造商合作，共同推动这些设备的工业化与商业化。
有一点已经明确：基于钻石 QPU 的量子计算机将非常小巧。其控制系统甚至只需要一台 PC，格伦德曼表示：“用树莓派或 Arduino 也行——在这方面我们也非常具有可扩展性。”
这也正好指出了深度冷却 QPU 所面临的另一个问题：所有控制和读出信号都必须引入制冷系统中，过程极其复杂且占用大量空间。而基于 NV 中心的 QPU 在室温下工作，彻底避免了这些问题。
因此，将 SaxonQ 的量子计算机集成到高性能计算（HPC）系统和数据中心中变得更加容易。这是一个重要优势，因为量子计算机目前只适用于某些特定任务，通常作为“加速器”与传统计算系统协同工作。搭建这样的混合系统因 SaxonQ 的技术而大大简化。
此外，这些已交付的数据中心量子计算机可在未来几年持续升级，与技术进步同步成长，格伦德曼解释道：“我们可以将其扩展至 32 个 NV 中心，而无需更换外围硬件。”
与 Quantum Machines 的合作
为了优化对量子比特的操控，SaxonQ 与 Quantum Machines 公司合作。因为量子比特的读写仍需借助传统电子设备——而且需要极为专用的系统。Quantum Machines 成立于 2018 年，专注于高效的量子控制系统，并开发了“OPX+”控制平台（详见框）。该平台是一种高精度微波电子系统，能在复杂的真实环境中实现精确和动态的量子比特控制。“OPX+”与底层 QPU 技术无关，也能为 SaxonQ 的 QPU 提供激光控制。
为了让用户能够真正使用这些计算机，SaxonQ 提供了自研操作系统以及一个通用量子门集合，用户可以编写任意算法。此外，这些计算机也兼容 Qiskit 编程框架。