普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员在寻求使用硅元件建造量子计算机的过程中，迈出了重要的一步。与今天的量子计算机的硬件相比，硅元件因其低成本和多功能性而备受赞誉。该团队展示了一个硅自旋量子位元(如图所示)可以与计算机芯片上距离很远的另一个量子位元进行通信。这一壮举可能使多个量子比特之间的连接能够执行复杂的计算。来源:Felix Borjans，普林斯顿大学

 

普林斯顿大学的科学家证明，两个硅量子比特可以进行相对长距离的通信，这是该技术的一个转折点。

 

想象一下，在这样一个世界里，人们只能和隔壁的邻居说话，而且信息必须挨家挨户地传递才能到达遥远的目的地。

 

到目前为止，这一直是构成硅量子计算机的硬件的情况，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元件，即硅“自旋”量子位，即使在计算机芯片上相距相对较远的地方也可以相互作用。这项研究发表在今天(2019年12月25日)的《自然》杂志上。

 

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:“在硅芯片上跨越这么远的距离传输信息的能力，为我们的量子硬件开启了新的能力。”最终的目标是将多个量子比特排列在一个二维网格中，从而可以进行更复杂的计算。从长远来看，这项研究将有助于改善量子位元在芯片上的传输，以及在芯片之间的传输。”天富注册链接

 

量子计算机有潜力解决日常计算机能力之外的挑战，比如分解大数。一个量子位，或称量子位，可以处理比日常计算机位更多的信息，因为传统计算机位的值可以是0或1，而一个量子位可以同时表示0到1之间的一系列值。

 

要实现量子计算的前景，这些未来的计算机将需要数万个能够相互通信的量子位元。今天谷歌、IBM和其他公司的原型量子计算机包含了数十个量子比特，这些量子比特是由涉及超导电路的技术制成的，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景。

硅自旋量子位比超导量子位有几个优势。硅自旋量子位保持其量子状态的时间比其他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位可以以低成本制造。

 

 

这个挑战的部分原因是硅自旋量子位元是由单电子组成的，而且非常小。

 

“多个量子位元之间的连线或‘互连’是大型量子计算机面临的最大挑战，”英特尔量子硬件主管詹姆斯·克拉克(James Clarke)说。他的团队正在利用英特尔的先进生产线制造硅量子位元，他没有参与这项研究。“贾森·佩塔的团队在证明自旋量子位元可以在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，这种“电线”传送光，类似于将互联网信号传送到家庭的光纤。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输到下一个量子位元。

 

这两个量子位相距约0.5厘米，即一粒米的长度。换个角度来说，如果每个量子位都有房子那么大，那么这个量子位就能把信息发送到750英里外的另一个量子位上。天富注册链接

 

关键的一步是找到一种方法，通过调整量子位元和光子以相同的频率振动，让它们说同样的语言。该团队成功地使两个量子位元相互独立地调谐，同时仍然使它们与光子耦合。在此之前，该设备的结构只允许一个量子位元与光子同时耦合。

 

该研究的第一作者、研究生Felix Borjans说:“你必须平衡芯片两边的量子位能量和光子能量，以使三个元素相互交流。”“这是这项工作真正具有挑战性的部分。”

 

每个量子位元由一个被困在一个叫做双量子点的小室中的单个电子组成。电子具有一种被称为自旋的特性，它可以向上或向下指向，就像罗盘指针指向北方或南方一样。