想象一下一個(gè)世界，那里的人們只能與隔壁的鄰居交談，并且必須挨家挨戶(hù)傳遞消息才能到達較遠的目的地。
到現在為止，構成硅量子計算機的硬件的情況一直是這種情況，硅量子計算機是一種類(lèi)型的量子計算機，與今天的版本相比，其價(jià)格可能更便宜且用途更多。
現在，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)團隊克服了這一限制，并證明了兩個(gè)量子計算組件，即硅“自旋”量子位，即使在計算機芯片上相距較遠時(shí)也可以相互作用。該 研究 發(fā)表在《自然》雜志上。
這項研究的負責人，普林斯頓大學(xué)尤金·希金斯物理學(xué)教授 杰森·皮塔說(shuō)：“在硅芯片上跨此距離傳輸消息的能力為我們的量子硬件帶來(lái)了新的功能 。” 最終目標是將多個(gè)量子位排列在二維網(wǎng)格中，從而可以執行更復雜的計算。從長(cháng)遠來(lái)看，這項研究將有助于改善芯片上以及從一個(gè)芯片到另一個(gè)芯片的量子位通信。”
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qubit可以比日常計算機位處理更多的信息，因為每個(gè)經(jīng)典計算機位可以具有0或1的值，而量子位可以同時(shí)表示0到1之間的值范圍。
為了實(shí)現量子計算的承諾，這些未來(lái)派計算機將需要成千上萬(wàn)個(gè)可以相互通信的量子比特。如今，谷歌，IBM和其他公司生產(chǎn)的原型量子計算機包含數十種量子比特，這些量子比特是由涉及超導電路的技術(shù)制成的，但是從長(cháng)遠來(lái)看，許多技術(shù)專(zhuān)家認為硅基量子比特更有希望。
硅自旋量子位比超導量子位具有多個(gè)優(yōu)勢。硅自旋量子位比競爭性量子位技術(shù)保留更長(cháng)的量子態(tài)。硅在日常計算機中的廣泛使用意味著(zhù)可以以低成本制造硅基量子比特。
挑戰部分源于硅自旋量子位由單個(gè)電子構成且非常小的事實(shí)。
英特爾量子硬件主管詹姆斯·克拉克(James Clarke)說(shuō)：“多個(gè)量子位之間的布線(xiàn)或'互連'是大規模量子計算機面臨的最大挑戰，”他的團隊正在利用英特爾先進(jìn)的生產(chǎn)線(xiàn)制造硅量子位。在研究中。“ Jason Petta的團隊在證明自旋量子位可以長(cháng)距離耦合方面做出了巨大的努力。”
為此，普林斯頓大學(xué)的團隊通過(guò)一條“電線(xiàn)”連接了量子比特，“電線(xiàn)”以類(lèi)似于將互聯(lián)網(wǎng)信號傳輸到家庭的光纖電線(xiàn)的方式來(lái)承載光。但是，在這種情況下，導線(xiàn)實(shí)際上是一個(gè)狹窄的空腔，其中包含單個(gè)光或光子粒子，它從一個(gè)量子位中提取消息并將其傳輸到下一個(gè)量子位。
兩個(gè)量子位相距約半厘米，或約一米粒的長(cháng)度。從角度來(lái)看，如果每個(gè)量子位都等于一所房子的大小，那么該量子位就可以向位于750英里之外的另一個(gè)量子位發(fā)送消息。
向前邁出的關(guān)鍵一步是找到一種方法，通過(guò)調諧所有三個(gè)量子比特和光子以相同的頻率振動(dòng)，從而使它們能說(shuō)相同的語(yǔ)言。該團隊成功地彼此獨立地調諧了兩個(gè)量子位，同時(shí)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(gè)量子比特耦合到光子。
“您必須在芯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(gè)元素彼此對話(huà)，” 該研究的第一作者，研究生菲利克斯·博爾詹斯(Felix Borjans)說(shuō) 。“這是工作中真正具有挑戰性的部分。”
每個(gè)量子位由捕獲在一個(gè)稱(chēng)為雙量子點(diǎn)的微小室內的單個(gè)電子組成。電子具有一種稱(chēng)為自旋的特性，可以像指向北或南的羅盤(pán)針一樣向上或向下指向。通過(guò)用微波場(chǎng)對電子進(jìn)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(tài)。
HRL實(shí)驗室的高級科學(xué)家，該項目的合作者Thaddeus Ladd說(shuō)：“這是硅中自旋糾纏電子自旋的第一個(gè)證明，該距離遠大于容納這些自旋的器件。” “不久前，由于將自旋耦合到微波并避免了硅基器件中的噪聲電荷移動(dòng)的影響，人們對是否有可能存在疑問(wèn)。這是硅量子位的重要可能性證明，因為它為如何布線(xiàn)這些量子位以及如何在未來(lái)的基于硅的“量子微芯片”中進(jìn)行幾何布局提供了極大的靈活性。”
兩個(gè)遙遠的基于硅的量子位設備之間的通信建立在Petta研究團隊先前的工作基礎上。在 2010年 《科學(xué)》雜志的一篇論文中，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》雜志上 報道了量子信息從納米線(xiàn)的電子自旋轉移到微波光子的過(guò)程， 2016年在《科學(xué)》雜志上，他們展示了將信息從硅基電荷量子位傳遞到光子的能力。他們在2017 年的《科學(xué)》雜志中以qubit展示了最近的信息交易。該團隊在 2018 年的《自然》雜志上展示了硅自旋量子位可以與光子交換信息。
斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授Jelena Vuckovic和全球領(lǐng)導力的Jensen Huang教授(未參與此項研究)評論說(shuō)：“證明量子位之間的遠程相互作用對于進(jìn)一步發(fā)展諸如模塊化量子等量子技術(shù)至關(guān)重要。計算機和量子網(wǎng)絡(luò )。杰森·佩塔(Jason Petta)團隊的令人振奮的結果是實(shí)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(guò)4毫米的兩個(gè)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，該團隊采用了硅和鍺(半導體行業(yè)中大量使用的材料)。”