（文章來(lái)源：量子認(rèn)知）

量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。不同于電子計(jì)算機(jī)或傳統(tǒng)計(jì)算，量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。量子計(jì)算機(jī)具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更為強(qiáng)大的功能潛力，例如分解大數(shù)據(jù)。量子位可以比傳統(tǒng)比特位處理更多的信息，因?yàn)槊總€(gè)傳統(tǒng)比特位只可以具有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(xiàn)量子計(jì)算，量子計(jì)算計(jì)算機(jī)將需要成千上萬(wàn)個(gè)可以相互通信的量子比特。目前世界上的初型量子計(jì)算機(jī)只包含幾十個(gè)量子比特，這些量子比特是由涉及超導(dǎo)電路的技術(shù)制成的，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，許多專家認(rèn)為基于硅的量子比特更有希望。硅量子計(jì)算機(jī)是一種量子計(jì)算機(jī)，與目前的量子計(jì)算機(jī)相比，其價(jià)格更便宜而且用途更多。

硅自旋量子位比超導(dǎo)量子位具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。硅自旋量子位比目前的量子位技術(shù)保留更長(zhǎng)的量子態(tài)。硅在日常計(jì)算機(jī)中的廣泛使用意味著可以以低成本制造硅基量子比特。但是，硅自旋量子位的挑戰(zhàn)來(lái)源于量子位由單個(gè)電子構(gòu)成且非常小，到目前為止，構(gòu)成硅量子計(jì)算機(jī)的量子比特傳輸不能夠建立長(zhǎng)距離的聯(lián)系，在芯片上當(dāng)相距較遠(yuǎn)時(shí)不能相互作用。這就象在過(guò)去人們只能與隔壁的鄰居交談，必須挨家挨戶地傳遞消息才能到達(dá)較遠(yuǎn)的目的地。

最近，普林斯頓大學(xué)的研究人員在尋求使用硅組件構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)方面邁出了重要的一步。研究小組表明，硅自旋量子位可以與位于計(jì)算機(jī)芯片上很遠(yuǎn)距離的另一個(gè)量子位進(jìn)行通信。這一重要成果可以使多個(gè)量子位之間的連接得以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。該研究成果發(fā)表在最近一期的《自然》科學(xué)雜志上。

在硅芯片上跨越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(biāo)是將多個(gè)量子位排列在二維網(wǎng)格中，從而可以執(zhí)行更復(fù)雜的計(jì)算。這項(xiàng)研究將長(zhǎng)期地幫助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。 英特爾量子硬件主管詹姆斯·克拉克評(píng)價(jià)道：多個(gè)量子位之間的布線或'互連'是大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)。普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)硅自旋量子位可以長(zhǎng)距離耦合是個(gè)巨大的成果。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，普林斯頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過(guò)一條“電線”連接了量子比特，“電線”以類似于將互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)傳遞到家庭的光纖電線的方式來(lái)承載光。但是，導(dǎo)線實(shí)際上是一個(gè)包含單個(gè)光或光子粒子的狹窄空腔，它從一個(gè)量子位中拾取消息并將其傳輸?shù)较乱粋€(gè)量子位。兩個(gè)量子位相距約半厘米，約一米粒的長(zhǎng)度。換個(gè)角度看，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(diào)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(tuán)隊(duì)成功地彼此獨(dú)立地調(diào)諧了兩個(gè)量子位，同時(shí)仍將它們耦合到光子。以前，該設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)一次只能將一個(gè)量子比特耦合到光子。研究人員說(shuō)：“必須使芯片兩側(cè)的量子位能量與光子能量保持平衡，以使所有三個(gè)元素彼此對(duì)話。” “這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部分?！?/p>

每個(gè)量子位由捕獲在一個(gè)稱為雙量子點(diǎn)的微小室內(nèi)的單個(gè)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(pán)針一樣向上或向下指向。通過(guò)用微波場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行拍打，研究人員可以上下旋轉(zhuǎn)自旋，以為量子位分配1或0的量子態(tài)。

研究人員說(shuō)：“這是硅電子自旋糾纏的第一個(gè)范例，該電子自旋的距離比容納自旋的器件大得多。 “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)的沖突要求，人們懷疑這是否可能實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)重要的硅量子位證明，因?yàn)樗谌绾尾季€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)行幾何布局方面增加了極大的靈活性。”

該研究團(tuán)隊(duì)在2010年《科學(xué)》雜志的一篇論文中，表明了有可能在量子阱中捕獲單電子。在2012年的《自然》雜志上報(bào)道了量子信息從納米線中的電子自旋到微波頻率光子的轉(zhuǎn)移，在2016年的《科學(xué)》雜志中，展示了將信息從硅基電荷量子位傳遞到光子的能力。在2017年的《科學(xué)》雜志中以量子比特展示了最近鄰信息交易。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。

世界著名的芯片企業(yè)英偉達(dá)創(chuàng)辦人、首席執(zhí)行官、斯坦福大學(xué)電氣工程學(xué)教授、黃仁勛評(píng)價(jià)道：“這項(xiàng)證明量子位之間的長(zhǎng)距離相互作用的成果，對(duì)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，是朝著這一目標(biāo)邁出的重要里程碑，因?yàn)樗C明了由微波光子介導(dǎo)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。在電路中，該團(tuán)隊(duì)采用了硅和鍺半導(dǎo)體工業(yè)中大量使用的材料?！?br /> （責(zé)任編輯：fqj）