通过硅自旋量子位的应用来实现量子计算

（文章来源：量子认知）

量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机或传统计算，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。量子计算机具有比传统计算机更为强大的功能潜力，例如分解大数据。量子位可以比传统比特位处理更多的信息，因为每个传统比特位只可以具有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，量子计算计算机将需要成千上万个可以相互通信的量子比特。目前世界上的初型量子计算机只包含几十个量子比特，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，许多专家认为基于硅的量子比特更有希望。硅量子计算机是一种量子计算机，与目前的量子计算机相比，其价格更便宜而且用途更多。

硅自旋量子位比超导量子位具有多个优势。硅自旋量子位比目前的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可以以低成本制造硅基量子比特。但是，硅自旋量子位的挑战来源于量子位由单个电子构成且非常小，到目前为止，构成硅量子计算机的量子比特传输不能够建立长距离的联系，在芯片上当相距较远时不能相互作用。这就象在过去人们只能与隔壁的邻居交谈，必须挨家挨户地传递消息才能到达较远的目的地。

最近，普林斯顿大学的研究人员在寻求使用硅组件构建量子计算机方面迈出了重要的一步。研究小组表明，硅自旋量子位可以与位于计算机芯片上很远距离的另一个量子位进行通信。这一重要成果可以使多个量子位之间的连接得以执行复杂的计算。该研究成果发表在最近一期的《自然》科学杂志上。

在硅芯片上跨越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。这项研究将长期地帮助改善芯片上以及从一个芯片到另一个芯片的量子位通信。 英特尔量子硬件主管詹姆斯·克拉克评价道：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。普林斯顿大学研究团队证实硅自旋量子位可以长距离耦合是个巨大的成果。

为了实现这一目标，普林斯顿大学的团队通过一条“电线”连接了量子比特，“电线”以类似于将互联网信号传递到家庭的光纤电线的方式来承载光。但是，导线实际上是一个包含单个光或光子粒子的狭窄空腔，它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，约一米粒的长度。换个角度看，如果每个量子位都等于一所房子的大小，那么该量子位就可以向位于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，通过调谐所有三个量子比特和光子以相同的频率振动，从而使它们能说相同的“语言”。该团队成功地彼此独立地调谐了两个量子位，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。研究人员说：“必须使芯片两侧的量子位能量与光子能量保持平衡，以使所有三个元素彼此对话。” “这是工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子位由捕获在一个称为双量子点的微小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拍打，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。

研究人员说：“这是硅电子自旋纠缠的第一个范例，该电子自旋的距离比容纳自旋的器件大得多。 “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冲突要求，人们怀疑这是否可能实现。这是一个重要的硅量子位证明，因为它在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”中进行几何布局方面增加了极大的灵活性。”

该研究团队在2010年《科学》杂志的一篇论文中，表明了有可能在量子阱中捕获单电子。在2012年的《自然》杂志上报道了量子信息从纳米线中的电子自旋到微波频率光子的转移，在2016年的《科学》杂志中，展示了将信息从硅基电荷量子位传递到光子的能力。在2017年的《科学》杂志中以量子比特展示了最近邻信息交易。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。

世界著名的芯片企业英伟达创办人、首席执行官、斯坦福大学电气工程学教授、黄仁勋评价道：“这项证明量子位之间的长距离相互作用的成果，对于进一步发展诸如模块化量子等量子技术至关重要，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的非局部相互作用。在电路中，该团队采用了硅和锗半导体工业中大量使用的材料。”
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