（文章來源：量子認知）

量子計算機是一種使用量子邏輯進行通用計算的設(shè)備。不同于電子計算機或傳統(tǒng)計算，量子計算用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數(shù)據(jù)操作。量子計算機具有比傳統(tǒng)計算機更為強大的功能潛力，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，因為每個傳統(tǒng)比特位只可以具有0或1的值，而量子位可以同時表示0到1之間的值范圍。

為了實現(xiàn)量子計算，量子計算計算機將需要成千上萬個可以相互通信的量子比特。目前世界上的初型量子計算機只包含幾十個量子比特，這些量子比特是由涉及超導(dǎo)電路的技術(shù)制成的，但是從長遠來看，許多專家認為基于硅的量子比特更有希望。硅量子計算機是一種量子計算機，與目前的量子計算機相比，其價格更便宜而且用途更多。

硅自旋量子位比超導(dǎo)量子位具有多個優(yōu)勢。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)。硅在日常計算機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電子構(gòu)成且非常小，到目前為止，構(gòu)成硅量子計算機的量子比特傳輸不能夠建立長距離的聯(lián)系，在芯片上當相距較遠時不能相互作用。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較遠的目的地。

最近，普林斯頓大學的研究人員在尋求使用硅組件構(gòu)建量子計算機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算機芯片上很遠距離的另一個量子位進行通信。這一重要成果可以使多個量子位之間的連接得以執(zhí)行復(fù)雜的計算。該研究成果發(fā)表在最近一期的《自然》科學雜志上。

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。最終目標是將多個量子位排列在二維網(wǎng)格中，從而可以執(zhí)行更復(fù)雜的計算。這項研究將長期地幫助改善芯片上以及從一個芯片到另一個芯片的量子位通信。 英特爾量子硬件主管詹姆斯·克拉克評價道：多個量子位之間的布線或'互連'是大規(guī)模量子計算機面臨的最大挑戰(zhàn)。普林斯頓大學研究團隊證實硅自旋量子位可以長距離耦合是個巨大的成果。

為了實現(xiàn)這一目標，普林斯頓大學的團隊通過一條“電線”連接了量子比特，“電線”以類似于將互聯(lián)網(wǎng)信號傳遞到家庭的光纖電線的方式來承載光。但是，導(dǎo)線實際上是一個包含單個光或光子粒子的狹窄空腔，它從一個量子位中拾取消息并將其傳輸?shù)较乱粋€量子位。兩個量子位相距約半厘米，約一米粒的長度。換個角度看，如果每個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)諧所有三個量子比特和光子以相同的頻率振動，從而使它們能說相同的“語言”。該團隊成功地彼此獨立地調(diào)諧了兩個量子位，同時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，以使所有三個元素彼此對話?！?“這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部分?！?/p>

每個量子位由捕獲在一個稱為雙量子點的微小室內(nèi)的單個電子組成。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。通過用微波場對電子進行拍打，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的沖突要求，人們懷疑這是否可能實現(xiàn)。這是一個重要的硅量子位證明，因為它在如何布線這些量子位以及如何在未來的基于硅的“量子微芯片”中進行幾何布局方面增加了極大的靈活性。”

該研究團隊在2010年《科學》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》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》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)英偉達創(chuàng)辦人、首席執(zhí)行官、斯坦福大學電氣工程學教授、黃仁勛評價道：“這項證明量子位之間的長距離相互作用的成果，對于進一步發(fā)展諸如模塊化量子等量子技術(shù)至關(guān)重要，是朝著這一目標邁出的重要里程碑，因為它證明了由微波光子介導(dǎo)的、間隔超過4毫米的兩個電子自旋之間的非局部相互作用。在電路中，該團隊采用了硅和鍺半導(dǎo)體工業(yè)中大量使用的材料。”
（責任編輯：fqj）