量子计算的突破：硅量子位在远距离相互作用

普林斯顿大学的研究人员在开发使用硅组件的量子计算机方面迈出了重要的一步，与当今的量子计算机的硬件相比，硅组件具有低成本和多功能性而倍受赞誉。研究小组表明，硅自旋量子位（如方框所示）可以与位于计算机芯片上相距很远的另一个量子位进行通信。这一壮举可以使多个量子位之间的连接得以执行复杂的计算。

普林斯顿大学的科学家证明，两个硅量子位可以在该技术的转折点上以相对较长的距离进行通信。

想象一下一个世界，那里的人们只能与隔壁的邻居交谈，并且必须挨家挨户传递消息才能到达较远的目的地。

到现在为止，构成硅量子计算机的硬件的情况一直是这种情况，硅量子计算机是一种类型的量子计算机，与现在的版本相比，其价格可能更便宜且用途更多。

现在，普林斯顿大学的一个团队克服了这一局限性，并证明了两个量子计算组件，即硅“自旋”量子位，即使在计算机芯片上相距较远时也可以相互作用。该研究今日（2019年12月25日）发表在《自然》杂志上。

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授，这项研究的负责人杰森·皮塔说：“在硅芯片上跨此距离传输消息的能力为我们的量子硬件带来了新的功能。”最终目标是将多个量子位排列在二维网格中，从而可以执行更复杂的计算。从长远来看，这项研究将有助于改善芯片上以及从一个芯片到另一个芯片的量子位通信。

量子计算机具有解决日常计算机功能之外的挑战的潜力，例如分解大量数据。量子位或qubit可以比日常计算机位处理更多的信息，因为每个经典计算机位可以具有0或1的值，而量子位可以同时表示0到1之间的值范围。

为了实现量子计算的承诺，这些未来派计算机将需要成千上万个可以相互通信的量子比特。如今，来自Google，IBM和其他公司的原型量子计算机包含数十种量子比特，这些量子比特是由涉及超导电路的技术制成的，但是从长远来看，许多技术专家认为基于硅的量子比特更有希望。

硅自旋量子位比超导量子位具有多个优势。硅自旋量子位比竞争性量子位技术保留更长的量子态。硅在日常计算机中的广泛使用意味着硅基量子位可以低成本制造。

挑战部分源于硅自旋量子位由单个电子构成且非常小的事实。

英特尔量子硬件主管詹姆斯·克拉克（James Clarke）说：“多个量子位之间的布线或'互连'是大规模量子计算机面临的最大挑战。”参与研究。“杰森·佩塔（Jason Petta）的团队在证明自旋量子位可以长距离耦合方面做出了巨大的努力。”

为此，普林斯顿大学的研究小组通过一条“电线”连接了量子比特，“电线”以类似于将互联网信号传送到家庭的光纤电线的方式来承载光。但是，在这种情况下，导线实际上是一个包含单个光或光子粒子的狭窄空腔，该粒子从一个量子位中拾取消息并将其传输到下一个量子位。

两个量子位相距约半厘米，或约一米粒的长度。换个角度看，如果每个量子位都等于一间房子的大小，那么该量子位将能够向位于750英里之外的另一个量子位发送消息。

向前迈出的关键一步是找到一种方法，通过调整所有三个量子位和光子以相同的频率振动，从而使它们都说相同的语言。该团队成功地彼此独立地调谐了两个量子比特，同时仍将它们耦合到光子。以前，该设备的体系结构一次只能将一个量子比特耦合到光子。

“您必须在芯片两侧的量子位能量与光子能量之间进行平衡，以使所有三个元素彼此对话，”该研究的第一作者，研究生菲利克斯·博尔詹斯（Felix Borjans）说。“这是工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子位由一个被困在称为双量子点的小腔室内的单个电子组成。电子具有一种称为自旋的特性，可以像指向北或南的罗盘针一样向上或向下指向。通过用微波场对电子进行换位，研究人员可以上下旋转自旋，以为量子位分配1或0的量子态。

HRL Laboratories的高级科学家，该项目的合作者Thaddeus Ladd说：“这是硅中自旋纠缠电子自旋的第一个例证，该距离远大于容纳这些自旋的器件。”“不久前，由于将自旋耦合到微波并避免了硅基器件中的噪声电荷移动的影响，人们对这种方法是否可行存在疑问。这是硅量子位的一个重要的可能性证明，因为它为如何布线这些量子位以及如何在未来的基于硅的“量子微芯片”中进行几何布局提供了极大的灵活性。

两个遥远的基于硅的量子位设备之间的通信建立在Petta研究团队先前的工作基础上。在2010年《科学》杂志上的一篇论文中，研究小组表明有可能在量子阱中捕获单电子。该团队在2012年的《自然》（Nature）杂志上报道了量子信息从纳米线中的电子自旋转移到微波频率光子的过程，并且在2016年的《科学》杂志中，他们展示了将信息从硅基电荷量子位传递到光子的能力。他们在2017年的《科学》杂志中以qubits展示了最近邻信息交易。团队在2018年的《自然》杂志上展示了硅自旋量子位可以与光子交换信息。

斯坦福大学电气工程学教授Jelena Vuckovic和全球领导力的Jensen Huang教授（未参与此项研究）评论说：“量子位之间的远程相互作用的演示对于进一步发展诸如模块化量子计算机和量子网络之类的量子技术至关重要。杰森·佩塔（Jason Petta）小组的这项令人振奋的结果是朝着这一目标迈出的重要里程碑，因为它证明了由微波光子介导的，间隔超过4毫米的两个电子自旋之间存在非局部相互作用。此外，为了构建这种量子电路，该团队采用了硅和锗（半导体行业中大量使用的材料）。”

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参考：F.Borjans，X.G.Croot，X.Mi，M.J.Gullans和J.R.Petta的《远距离电子自旋之间的共振微波介导的相互作用》，2019年12月25日，Nature.DOI：
10.1038 / s41586-019-1867-y

除了Borjans和Petta之外，还为研究做出了以下贡献：迪克（Dicke）博士后研究员Xanthe Croot；副研究员迈克尔·古兰斯（Michael Gullans）；还有获得博士学位的小蜜在佩塔（Petta）小组的普林斯顿大学工作，现在是Google的研究科学家。

这项研究由陆军研究办公室（拨款W911NF-15-1-0149）以及戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS计划（拨款GBMF4535）资助。