硅的胜利!硅量子硬件出现转折点,两个自旋组件首次实现长距离通信

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硅的胜利!硅量子硬件出现转折点,两个自旋组件首次实现长距离通信
麻省理工科技评论 2019-12-27

2019-12-27

量子计算的里程碑飞跃,美科学家让硅量子比特建立长距离交互关系。
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量子计算的里程碑飞跃,美科学家让硅量子比特建立长距离交互关系。

量子计算,作为一种遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新模式;相对于经典计算机的比特位(bits)来说,量子比特的处理速度更快,更适合于高速数据搜索,也将进一步完善网络安全,其被人们寄予厚望。

它可以快到什么程度?一旦量子计算机成功问世,那人们或许就需要改变现有的全部密码和信息保护方式,因为它可以在几秒钟内实现“暴力破解”。

即便它可以如此高效地运算,但其内部数据传输的方式就和综艺节目里常玩的 “传话游戏” 类似——每个量子比特向身边最近的下一个进行沟通,虽然不会像游戏一般因为戴上耳机而发生传递错误,但这种信息 “挨家挨户” 传递的方式似乎也并不显得那么的前沿并且快速。

不过如今,来自美国普林斯顿大学的研究团队突破了这一信息传递限制,他们证明了两个量子计算组件,也就是 “自旋” 硅量子比特在计算机芯片中,即便它们相距较远也可以相互作用。这项研究成果发表在了最新一期的 Nature 杂志上。普林斯顿大学物理系的学生 Felix Borjans、联合研究学者 Xanthe G. Croot、Michael J. Gullans,现已在谷歌工作的 X. Mi,以及 “尤金 · 希金斯” 物理学教授 Jason R. Petta 共同完成了该研究。

硅量子硬件出现转折点,两个自旋组件首次实现长距离通信

图 | 研究团队照片(来源:Felix Borjans, Princeton University)

突破量子比特信息传输限制

作为这项研究的负责人,Jason R. Petta 表示:“在硅芯片上跨越这个距离来传输信息的能力,将为我们的量子硬件带来新的功能。”

对于该研究的目标,Petta 解释道:“我们的最终目标是在一个二维网格中排列出多个量子比特,从而让其执行更为复杂的计算。从长远的角度来看,这项研究有助于改善单一芯片上、还有芯片与芯片之间的量子位元通信情况。”

量子计算机之所以具有极大应用潜力,主要在于和传统计算机的二进制相比,其比特都有 0 和 1 的状态;但是量子计算机还存在一个 0 和 1 之间的任意线性组合,属于一种像 “薛定谔的猫” 一样的叠加状态。如果将多个量子比特放在一起,这些叠加状态之间又互有关联,就能存储和计算更多的数据。

简言之,多个量子比特在某一次操作之后不是仅代表多个比特 “0” 和“1”的一种组合,而是可以代表所有可能的态。这样在运算的时候,采用量子比特则是把所有态一起计算,可大大加快运算速度。而如果还能进一步让量子比特超越 “面对面” 的距离进行联系,则可能更大程度增加量子计算机的潜力。

所以,让成千上万个量子比特可以相互通信是量子计算机这个 “未来化” 项目的关键。目前,来自谷歌、IBM ,以及其他公司的量子计算机原型已包含几十个量子比特,这些量子比特都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。

另外,硅自旋量子比特保持其量子态的时间,要长于超导电路量子比特的量子态时间。同时,硅作为在日常生活中被广泛应用的电子元件材料,其生产成本较低。但应用硅的话,就需要面对一个巨大的挑战:硅自旋量子比特是由单个电子构成的,并且尺寸非常之小,难以建立很好的连接。

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图 | 自旋硅量子比特在芯片上和另一个较远的进行通信(来源:Felix Borjans, Princeton University)

为解决这一问题,研究人员通过一根 “电线” 将量子比特连接起来,这条 “电线” 的形态与连入家庭的光纤电线比较相似。不过,不同的是导线实际上是包含着一个光粒子或光子的狭窄腔体,它从一个量子比特接收信息并将其传送给下一个。

这两个量子比特之间的距离大约是半厘米,和一粒大米的长度相当。从尺寸角度进行类比,如果每个量子比特都像一栋房子那般大小,那么这个量子比特就可以向 1200 公里之外(距离和北京到上海相当)的另一个量子比特发送信息。

能进行信息沟通的关键,就是要让不同量子比特之间,以及腔体中的光子“说同一种语言”,而这也是该研究的关键之处。研究人员尝试将这三种粒子调节到一个相同的振动频率,最终成功地调整好两个独立的量子比特,并将它们耦合到了光子上。在此之前,这种设备的结构只能允许一个量子比特和光子耦合。

论文的第一作者、研究生 Felix Borjans 对外表示:“你必须平衡芯片两边的量子比特能量和光子能量,才能让这三种元素互相交流,这是工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子比特都由捕获了一个电子的、被称为 “双量子点” 的小空间组成。电子具有一种叫作 “自旋” 的特性,它可以指向上或下两个方向,就像指南针指向南北一样。通过用微波场轰击电子,研究人员可以上下翻转自旋,从而控制量子比特处于 0 或 1 的量子态。

更贴近产业的量子计算里程碑

这项研究一经发表,便在物理学界引发广泛关注。全球知名的物理研究门户网站 Phys.org 在发布这项研究新闻之后,短时间内就得到了超过 2000 次的转发。当然,相比起来,评论数多少显得有些“寂寞”;或许是只有业界大佬才能点评一二。

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图 | Phys.org 官网截图(来源:Phys.org)

美国 HRL 实验室的高级科学家,也是与此研究合作过的 Thaddeus Ladd 对媒体说:“这是第一个能证明硅中电子自旋之间的距离远远大于容纳电子自旋纠缠态的装置。不久以前,由于对微波耦合自旋的要求,以及要避免硅基器件中移动的噪声电荷的相互冲突,人们对这是否可行产生了怀疑。”

“而这是硅量子比特的一个重要的可能性证明,它为如何连接量子比特,以及在未来设计基于硅的量子微芯片的几何布局上增加了相当大的灵活性。”Thaddeus 补充道。

这项研究的成功,建立在 Jason R. Petta 团队过往在该领域的大量研究工作,以及其他科研人员相关突破的基础之上。此前, Science 和 Nature 两大杂志上发表了不少与之相关的技术发展文章。

在 2010 年发表于 Science 杂志上的一篇论文中,物理学家证明了在量子阱中捕获单个电子是可能的。在 2012 年的 Nature 杂志上,又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。四年后,2016 年的 Science 杂志则体现了从硅基电荷量子比特向光子传递信息的能力。

最近两年的研究结果则更为 Petta 团队提供了实验基础。 2017 年, Science 杂志上展示了如何以量子比特为单位的近邻信息交换;随后,在 2018 年的 Nature 杂志上又展示出一个硅自旋量子比特与一个光子交换信息的实验。而正是该领域学者们的不断积累,最终帮助 Petta 的研究团队完成了此次研究突破。

硅量子硬件出现转折点,两个自旋组件首次实现长距离通信

图 | 左为 James Clarke;右为 Jelena Vuckovic(来源:Wiki)

英特尔量子硬件主管 James Clarke 表示:“多个量子比特之间的布线或互连,是大规模量子计算机面临的最大挑战。而 Petta 的团队在证明自旋量子比特可以长距离耦合方面做出了卓越的成果。”

斯坦福大学电气工程学教授 Jelena Vuckovic,也是“黄仁勋全球影响力”教授称号获得者对此评价:“这项可以证明量子比特之间的长距离相互作用的成果,对于进一步发展诸如模块化量子等量子技术至关重要,是朝着这一目标迈进的重要里程碑。因为它证明了由微波光子介导的、间隔超过 4 毫米的两个电子自旋之间的非局部相互作用。”

她还特别强调:“在电路中,该团队采用的是硅和锗这种半导体工业中大量使用的材料。而这会让研究更具有实用价值。”

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