量子計算重大突破：矽量子位能夠實現遠距離通信

美國普林斯頓大學的科學家證明，兩個矽量子位可以在相對較長的距離進行通信。

想像一下這樣一個世界：那裡的人只能和隔壁的鄰居交談，並且必須挨家挨戶傳遞消息才能到達較遠的地方。矽量子計算機目前面臨的情況類似這種情形。

普林斯頓大學的團隊克服了這一局限，證明了兩個量子計算組件，即矽「自旋」量子位，即使在計算機晶片上相距較遠時也可以相互作用。

普林斯頓大學物理學教授，這項研究的負責人傑森·皮塔說：「在矽晶片上長距離傳輸消息的能力為我們的量子硬體帶來了新的功能。最終有望將多個量子位排列在二維網格中，從而可以執行更複雜的計算。從長遠來看，這項研究將有助於改善晶片上以及從一個晶片到另一個晶片的量子位通信。」

量子計算機具有解決日常計算機功能之外的挑戰的潛力，例如分解大量數據。量子位或可以比日常計算機位處理更多的信息，因為每個經典計算機位可以具有0或1的值，而量子位可以同時表示0到1之間的值範圍。

為了實現量子計算的能力，計算機需要成千上萬個可以相互通信的量子比特。谷歌，IBM和其它公司的原型量子計算機包含數十種量子比特，這些量子比特是由超導電路的技術製成的，但是從長遠來看，許多技術專家認為基於矽的量子比特更有希望。

矽自旋量子位比超導量子位具有更多優勢。矽自旋量子位比超導量子位技術能夠保留更長的量子態。矽在日常計算機中的廣泛使用意味著可以用低成本製造矽基量子比特。

難點在於矽自旋量子位由單個電子構成，且非常小。

英特爾量子硬體主管詹姆斯·克拉克說：「多個量子位之間的布線或'互連'是大規模量子計算機面臨的最大挑戰。傑森·皮塔的團隊在證明自旋量子位可以長距離耦合方面做出了巨大的努力。」

普林斯頓大學的團隊通過一條「電線」連接了量子比特，「電線」以類似於將網際網路信號傳輸到家庭的光纖電線的方式來承載光。但是，在這種情況下，導線實際上是一個包含單個光或光子粒子的狹窄空腔，它從一個量子位中拾取消息並將其傳輸到下一個量子位。

兩個量子位相距約半厘米，或約一米粒的長度。換個角度看，如果每個量子位都等於一所房子的大小，那麼該量子位就可以向位於1207公里之外的另一個量子位發送消息。

這個技術突破的關鍵是找到一種方法，通過調整所有三個量子位和光子以相同的頻率振動，從而使它們同步。該團隊成功地實現了彼此獨立的兩個量子位的調諧，同時仍將它們耦合到光子。以前，該設備的體系結構一次只能將一個量子比特耦合到光子。

該研究的第一作者，研究生菲利克斯·博爾詹斯說：「您必須在晶片兩側的量子位能量與光子能量之間取得平衡，以使所有三個元素彼此對話，這是這項研究工作中真正具有挑戰性的部分。」

每個量子位由捕獲在一個稱為雙量子點的微小室內的單個電子組成。電子具有一種稱為自旋的特性，可以像指向北或南的羅盤針一樣向上或向下指向。通過用微波場對電子進行拍打，研究人員可以上下旋轉自旋，以為量子位分配1或0的量子態。

資深科學家，該項目的合作者塔德德烏斯·拉德說：「這是矽中自旋糾纏電子自旋的第一個證明，該距離遠大於容納這些自旋的器件。不久前，人們對這是否可能還有所懷疑。這是矽量子位的一個重要的可能性證明，因為它為如何連接這些量子位，以及如何在未來的基於矽的量子微晶片中以幾何方式布局這些量子位提供了極大的靈活性。」

兩個長距離的基於矽的量子位設備之間的通信建立先前的工作基礎上。在2010年《科學》雜誌的一篇論文中，研究小組表明有可能在量子阱中捕獲單電子。該團隊在2012 年的《自然》雜誌上報道了量子信息從納米線的電子自旋到微波光子的轉移，在2016年的《科學》雜誌上，他們展示了將信息從矽基電荷量子位傳遞到光子的能力。2017年的《科學》雜誌中， 該團隊以量子位展示了最近鄰信息交換。2018年的《自然》雜誌報告上則揭示出矽自旋量子位可以與光子交換信息。

史丹福大學電氣工程學教授葉蓮娜·烏科維奇和傑森黃教授表示：「演示量子位之間的遠程相互作用對於進一步發展模塊化量子，計算機和量子網絡等量子技術至關重要。。傑森·皮塔小組的令人振奮的結果是實現這一目標的重要里程碑，因為它證明了由微波光子介導的，間隔超過4毫米的兩個電子自旋之間的非局部相互作用。此外，為了構建這種量子電路，該團隊採用了矽和鍺，這是半導體行業中大量使用的材料。」

2019年12月25日出版的《自然》雜誌刊登了這份報告。