普林斯顿大学的研究人员发现，自旋硅量子比特可与远在计算机芯片上的另一个量子比特进行通信。这意味着多个量子比特之间的复杂连接与计算具备了可行性。
想象一下这样一个“局促”的世界：人们只能和隔壁的邻居交谈，信息必须挨家挨户传递才能送达远方的目的地。然而，这就是目前硅量子计算机技术的真实情况。
据《自然》杂志近日报道，美国普林斯顿大学的研究人员已经在一定程度上突破了距离的限制，证实硅自旋量子位可建立远距离联系。普林斯顿大学物理学教授、项目负责人Jason Petta说：“在硅芯片上远距离传输信息，为量子硬件开启了新时代。我们的终极目标是在二维网络中设置多个量子比特，进而执行更加复杂的运算。从长远来看，我们的研究将有助于改善芯片上及芯片间的量子位通信。”
量子计算机可以解决传统计算机无能为力的问题，量子位可以处理比普通计算机位元多得多的信息。而为了实现量子运算，量子计算机必须由成千上万的量子位提供通信支持。谷歌和IBM等公司制造的量子计算原型机已包含了几十个由超导电路技术制造的量子比特。然而，很多专家认为，硅基量子比特更具优势：（1）硅自旋量子位维持量子态的时间更长；（2）硅是制造传统计算机的主要材料，成本更低。因特尔公司量子硬件负责人James Clarke表示：“多量子位之间的互连是制造大型量子计算机面临的最大挑战。Petta团队为证实自旋量子位的长距离耦合做了大量工作。”
为了实现自旋量子位的长距离耦合，Petta团队使用一根“电线”将量子位连接起来。这条电线看上去与构建家庭网络的光纤很相似，然而实际上它是一个包含单个光子的狭窄腔体。光子从一个量子位接收信息，并传送至另一个量子位。 两个量子位相距大约0.5厘米，按比例放大，如果每个量子位都有房子大小，那么这个量子位就可以向750英里外的另一个量子位发送信息。问题的关键在于，如何找到一种方法让两个量子位和光子以“同一种语言进行交流”。研究人员的策略是，调整三方的振动频率，让它们进入同一频道。最终，Petta等成功调整了量子位的振动频率，并将其与光子耦合。论文第一作者、研究生Felix Borjans说：“我们必须平衡两个量子位和光子的能量，才能让三方相互交流。这是项目中最具挑战性的部分。”
每个量子位包含一个电子，电子被困于双量子点中。研究人员利用微波场轰击电子，使其发生翻转自旋，进而使量子位表现出0/1量子态。HRL实验室资深科学家，项目合作者Thaddeus Ladd说：“我们首次证实，在硅材料中，电子自旋间的距离比容纳自旋电子的设备的尺寸大得多。不久之前，由于微波耦合自旋与避免硅基器件的移动噪声电荷影响之间存在冲突，很多人还对我们的观点还深表怀疑。”
Petta团队在双硅量子位长距离通信方面取得的突破与其之前的成果密切相关。2010年，Petta等在《科学》杂志发文阐述了在量子阱中捕获单个电子的可能性。2012年，Petta等在《自然》杂志报道了利用纳米线电子自旋向具有微波频率的光子传递量子信息的过程。2016年，Petta等又在《科学》杂志展示了从硅基电荷量子位向光子传递信息的方法。2018年，该团队在《自然》杂志发文证实，硅自旋量子比特可与光子交换信息。
斯坦福大学教授Jelena Vuckovic评论说：“量子位之间的长程互联对量子技术的发展非常重要。模块化量子计算机与量子网络皆衍生于此。Petta团队的成果是量子技术发展史上的里程碑。他们不仅演示了微波光子介导的两个电子自旋之间的非局域相互作用，并且使用的材料是半导体工业中广泛使用的硅和锗。”
原创编译：雷鑫宇 审稿：三水 责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-12/pu-ilf122019.php
中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源。