想象一下这样一个世界，人们只能和隔壁的邻居交谈，信息必须挨家挨户传递才能到达遥远的目的地。
到目前为止，这种情况一直存在于组成硅量子计算机的硬件上，这种类型的量子计算机有可能比现在的版本更便宜、更多功能。
现在，普林斯顿大学的一个团队已经克服了这一限制，并证明了两个量子计算组件，即所谓的硅“自旋”量子位，即使在计算机芯片上相隔较远，也可以相互作用。这项研究发表在《自然》杂志上。
普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员在利用硅元件制造量子计算机的探索中迈出了重要的一步。硅元件因其成本低、通用性强而备受赞誉，与当今量子计算机的硬件相比。研究小组发现，一个自旋的硅量子比特(如图所示)可以与远在计算机芯片上的另一个量子比特进行通信。这一壮举可以使多个量子比特之间的连接进行复杂的计算。
“在硅芯片上跨越这个距离传输信息的能力，为我们的量子硬件开启了新的功能，”普林斯顿大学尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授、这项研究的负责人贾森·佩塔(Jason Petta)说。“最终的目标是在一个二维网格中安排多个量子比特，可以执行更复杂的计算。从长远来看，这项研究将有助于改善芯片上以及芯片之间的量子位元通信。”
量子计算机有潜力解决日常计算机能力之外的挑战，比如分解大的数字。量子比特可以处理比普通计算机比特多得多的信息，因为虽然每个经典的计算机比特可以有0或1的值，但一个量子比特可以同时表示0到1之间的值范围。
为了实现量子计算的承诺，这些未来的计算机将需要成千上万的量子位元来相互通信。今天，来自谷歌、IBM和其他公司的量子计算机原型包含了几十个量子比特，这些量子比特是由超导电路技术制造的，但许多技术专家认为，从长远来看，基于硅的量子比特更有前途。
硅自旋量子比特比超导量子比特有几个优点。硅自旋量子位保持其量子态的时间比竞争的量子位技术要长。硅在日常计算机中的广泛应用意味着硅基量子比特可以以较低的成本制造出来。
这个挑战部分源于这样一个事实:硅自旋量子比特是由单个电子构成的，而且非常小。
“多量子位元之间的连线或‘互连’是对大规模量子计算机的最大挑战，”英特尔量子硬件主管詹姆斯•克拉克(James Clarke)表示。“杰森·佩塔的团队在证明自旋量子位元可以长距离耦合方面做了大量工作。”
为了实现这一目标，普林斯顿大学的研究小组通过一根“电线”将量子位元连接起来，这条“电线”以一种类似光纤电线的方式将光传送到家庭。然而，在这种情况下，导线实际上是一个狭窄的腔体，包含一个光粒子或光子，它从一个量子位元接收信息并将其传送到下一个量子位元。
这两个量子位相距大约半厘米，大约是一粒米的长度。从这个角度来看，如果每个量子位都是房子的大小，那么这个量子位就可以向750英里外的另一个量子位发送信息。
关键的一步是找到一种方法，让量子位元和光子说同一种语言，方法是把这三种粒子调到相同的频率振动。研究小组成功地调整了两个独立的量子位，同时仍然将它们耦合到光子上。以前，该设备的结构只允许一个量子位元一次与光子耦合。
“你必须平衡芯片两边的量子位元能量和光子能量，才能让这三种元素互相交流，”该研究的第一作者、研究生费利克斯博尔扬斯(Felix Borjans)说。“这是工作中真正具有挑战性的部分。”
每个量子位由一个电子组成，电子被困在一个叫做双量子点的小空间里。电子具有一种叫做自旋的特性，它可以向上或向下指向，就像指南针指向南北一样。通过用微波场轰击电子，研究人员可以向上或向下翻转自旋，使量子位元处于1或0的量子态。
HRL实验室的资深科学家、该项目的合作者撒迪厄斯·拉德(Thaddeus Ladd)说:“这是第一次证明，在硅材料中，电子自旋之间的距离要比容纳电子自旋的设备大得多。”“不久以前，人们还怀疑这是否可能，因为在微波耦合自旋和避免硅基器件中移动的噪声电荷的影响方面存在相互冲突的要求。这是硅量子位的一个重要的可能性证明，因为它在如何连接这些量子位以及如何在未来基于硅的‘量子微芯片’中几何布局方面增加了很大的灵活性。”
两个相距遥远的基于硅的量子位元设备之间的通讯建立在Petta研究小组之前的工作基础上。在2010年发表于《科学》杂志上的一篇论文中，该团队证明了在量子阱中捕获单个电子是可能的。在2012年的《自然》(Nature)杂志上，该团队报道了从纳米线中的电子自旋向微波频率的光子传递量子信息的过程，并在2016年的《科学》(Science)杂志上展示了从硅基电荷量子位元向光子传递信息的能力。他们在2017年的《科学》杂志上展示了以量子位元为单位的最近邻的信息交换。该团队在2018年的《自然》杂志上展示了一个硅自旋量子比特可以与一个光子交换信息。
参与这项研究的普林斯顿大学研究人员包括(左起):克罗特(Xanthe Croot)，迪克(Dicke)博士后研究员;Felix Borjans，第一作者和研究生，Michael Gullans，副研究员;还有尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授杰森·佩塔(Jason Petta)。
Jelena Vuckovic是电气工程教授，同时也是斯坦福大学全球领导力的Jensen Huang教授，他没有参与这项研究。这一激动人心的结果来自Jason Petta的团队，它是实现这一目标的一个重要里程碑，因为它演示了两个电子自旋之间的非局域相互作用，它们之间的距离超过4毫米，由微波光子介导。此外，为了建造这个量子电路，团队使用了硅和锗——半导体工业中大量使用的材料。”
除了Borjans和Petta外，下列人员也参与了这项研究:Dicke博士后研究员Xanthe Croot;副研究员迈克尔·古兰斯;小米在普林斯顿大学获得了博士学位，现在是谷歌的一名研究科学家。
这项研究由陆军研究办公室(grant W911NF-15-1-0149)和戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS项目(grant GBMF4535)资助。
这项由Felix Borjans, X. G. Croot, X. Mi, M. J. Gullans和J. R. Petta完成的研究，“共振微波介导的远距离电子自旋之间的相互作用”，发表在12月25日的《自然》杂志网络版上。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586 – 019 – 1867 – y
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://www.princeton.edu/news/2019/12/30/leap-quantum-computing-silicon-quantum-bits-establish-long-distance-relationship