（文章來源：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)算用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來進(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，但是從長遠(yuǎn)來看，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)，從而使它們能說相同的“語言”。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：“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針一樣向上或向下指向。通過用微波場(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：“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?！?/p>

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。”
（責(zé)任編輯：fqj）