撰文 王曌

編輯 戚譯引

來(lái)源 科研圈（ID：keyanquan）

在信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天,，你肯定無(wú)法想象一個(gè)信息只能挨家挨戶面對(duì)面?zhèn)鬟f的世界,。但是直到今天，硅量子計(jì)算機(jī)硬件中的信息傳遞仍是以這種“原始”的方式進(jìn)行的,。最近,，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)打破了這種限制，在兩個(gè)相距 4 毫米的硅自旋量子比特之間建立了長(zhǎng)程通信,。相關(guān)研究成果于 12 月 25 日發(fā)表在《自然》（Nature）上,。

普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授、該項(xiàng)研究負(fù)責(zé)人杰森·皮塔（Jason Petta）表示：“實(shí)現(xiàn)硅自旋量子比特的長(zhǎng)程通信將解鎖量子硬件的新功能,。我們的終極目標(biāo)是設(shè)計(jì)出二維的硅自旋量子比特陣列,，使硅量子計(jì)算機(jī)具備執(zhí)行更復(fù)雜計(jì)算的能力。并且,，如果從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，這項(xiàng)研究不僅可改善單塊芯片上量子比特的通信，還可用于不同芯片之間量子比特的通信,?！?/p>

硅自旋量子比特 vs 超導(dǎo)量子比特

量子計(jì)算機(jī)擁有遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算潛力，這是因?yàn)榻?jīng)典計(jì)算機(jī)中的最小信息量單位——比特（bit）只能表示 0 或者 1,，而量子計(jì)算機(jī)的最小信息量單位——量子比特（qubit）卻可以同時(shí)表示 0 到 1 之間的一系列數(shù)值,。

如何讓更多的量子比特更高效地協(xié)同工作，是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要課題,。量子比特的數(shù)量決定了量子計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ),、處理的信息量,。目前谷歌、IBM 和其他公司的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)已經(jīng)包含數(shù)十個(gè)量子比特,，這些量子比特大多是超導(dǎo)量子比特,。例如今年 10 月谷歌宣布實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性時(shí)，他們使用的量子計(jì)算機(jī)就包含 53 個(gè)超導(dǎo)量子比特,。

但是,，真正實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算需要幾萬(wàn)個(gè)可以相互通信的量子比特，因此量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走,。如果能在微小的芯片上排布更多的量子比特,，無(wú)疑會(huì)大大提升量子計(jì)算機(jī)可存儲(chǔ)、處理的信息量,。

在這項(xiàng)研究中,，普林斯頓團(tuán)隊(duì)使用了另一種技術(shù)——硅自旋量子比特。硅量子比特的尺寸遠(yuǎn)小于超導(dǎo)量子比特,，考慮密集排列時(shí),，硅自旋量子比特會(huì)是更好的選擇。盡管目前硅自旋量子比特技術(shù)尚不如超導(dǎo)量子比特成熟,，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，許多技術(shù)專(zhuān)家認(rèn)為硅自旋量子比特會(huì)更具前景,。因?yàn)楣柙缫呀?jīng)在日常計(jì)算機(jī)中廣泛使用,，制造硅自旋量子比特的成本較低，并且在業(yè)界幾十年硅材料大規(guī)模集成電路制造經(jīng)驗(yàn)的加持下,，硅自旋量子比特在維持量子態(tài)方面的潛力更強(qiáng),。

但是硅自旋量子比特技術(shù)本身也面臨著一些挑戰(zhàn)：一方面，硅自旋量子比特僅由單個(gè)電子構(gòu)成,，整體尺寸極小,，制造難度很大；另一方面,，多個(gè)硅自旋量子比特之間的高效通信問(wèn)題也是亟待解決的難點(diǎn),。

給量子比特接上“電話線”

硅自旋量子比特可以被看作是硅基器件上的一間小房子，里面困著一顆電子,。電子具有一種稱(chēng)為自旋的特性,，可以像指南針一樣指向北方或南方。使用微波轟擊電子,，就可以翻轉(zhuǎn)電子的自旋狀態(tài),，從而給量子比特分配 1 或 0 的量子態(tài)。

要想讓量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算,，就需要讓多個(gè)量子比特協(xié)同工作,。如果量子比特之間的通信依然停留在兩個(gè)鄰近的量子比特“面對(duì)面”傳遞信息的程度,，可想而知，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力會(huì)受到很大的限制,。要打破這種限制,，就需要在芯片上任意兩個(gè)量子比特之間建立長(zhǎng)程通信。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,，皮塔團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)量子比特用一根“導(dǎo)線”連接起來(lái),。這種導(dǎo)線類(lèi)似于可傳遞光子的家用光纖，但它足夠纖細(xì),，一次只能傳遞一個(gè)光子,。耦合了其中一個(gè)量子比特電子自旋信息的光子就可以通過(guò)導(dǎo)線被傳遞到另一個(gè)量子比特。

在兩個(gè)硅自旋量子比特之間建立長(zhǎng)程通信的另一個(gè)關(guān)鍵,，是確保發(fā)送信號(hào)的量子比特,、傳遞信號(hào)的光子以及接收信號(hào)的量子比特三者具有相同的振動(dòng)頻率，讓它們“說(shuō)”出同一種語(yǔ)言,。在此之前,，皮塔團(tuán)隊(duì)曾在同樣的設(shè)備上分別開(kāi)展過(guò)由量子比特向光子發(fā)送信號(hào)和讓量子比特接收光子信息的實(shí)驗(yàn)，此次他們成功將二者結(jié)合起來(lái),，在兩個(gè)硅自旋量子比特之間建立了長(zhǎng)程通信,。這項(xiàng)研究的第一作者、研究生費(fèi)利克斯·博詹斯（Felix Borjans）說(shuō)：“只有平衡芯片兩邊的量子比特的能量以及光子能量,，才能使三者具有相同的振動(dòng)頻率,。這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部分?！?/p>

通過(guò)這種方式,，皮塔團(tuán)隊(duì)成功地在兩個(gè)相距 4 mm 的硅量子比特之間建立了長(zhǎng)程通信。這個(gè)距離大約相當(dāng)于一粒米的長(zhǎng)度,，卻比量子比特的尺度高出了幾個(gè)數(shù)量級(jí),。如果假設(shè)每個(gè)量子比特有一間房子那么大，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)就相當(dāng)于在兩間相距1200公里的房子之間建立通信,。

讓量子世界相互連接

“研究第一次在遠(yuǎn)大于量子比特尺寸的間距下展示了硅電子自旋的量子糾纏,，” HRL 實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家、該項(xiàng)目的合作者薩迪斯·拉德（Thaddeus Ladd）說(shuō),，“由于將量子比特的電子自旋信息耦合到微波光子的同時(shí)會(huì)在硅基器件表面產(chǎn)生電噪聲,，不久以前大家還一度懷疑這種方法的可行性。但是,，毫無(wú)疑問(wèn)地,，這項(xiàng)工作將使大家更加靈活地開(kāi)展研究，探索多量子比特之間的布線,，以及硅基量子微芯片的布局,?！?/p>

這項(xiàng)研究也得到了同行的高度評(píng)價(jià)。英特爾（Intel）集團(tuán)的量子硬件主管詹姆斯·克拉克（James Clarke）一直帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)硅自旋量子比特,，他認(rèn)為：“多個(gè)量子比特之間的布線或‘互聯(lián)’是大型量子計(jì)算機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn),。”克拉克并未參與皮塔等人的研究,，他評(píng)論道“在證明硅自旋量子比特可進(jìn)行遠(yuǎn)距離耦合方面,，皮塔團(tuán)隊(duì)的工作是一次很偉大的進(jìn)展?！?/p>

斯坦福大學(xué)的電氣工程學(xué)教授伊萊娜·瓦科維奇 （Jelena Vuckovic）認(rèn)為皮塔團(tuán)隊(duì)的研究成果是量子比特長(zhǎng)程通信技術(shù)發(fā)展道路上的里程碑,，她評(píng)論道：“皮塔團(tuán)隊(duì)使用已在半導(dǎo)體行業(yè)中大量應(yīng)用的硅、鍺材料證明,，兩個(gè)相距 4 mm 的量子比特可在光子的介導(dǎo)下發(fā)生非局部相互作用,。而建立量子比特之間的長(zhǎng)程通信對(duì)進(jìn)一步發(fā)展模塊化量子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)至關(guān)重要,?！?/p>

總而言之，量子比特之間的長(zhǎng)程通信是先進(jìn)量子信息技術(shù)的標(biāo)志,。在遠(yuǎn)大于量子比特尺寸的距離上傳遞量子狀態(tài)信息,、產(chǎn)生量子糾纏不僅可以增加量子微芯片上各個(gè)量子比特之間的互聯(lián)，還可以在任意兩個(gè)量子比特之間構(gòu)建邏輯門(mén),。隨著量子比特長(zhǎng)程通信技術(shù)的發(fā)展,，將來(lái)的量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)存儲(chǔ)和處理更多信息，這種并行能力的提升可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)的“算力”所不能及的問(wèn)題,，影響人類(lèi)社會(huì)的方方面面,。