量子技术新突破：硅芯片中电子自旋与光子的耦合

近日，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队展示了在硅量子芯片中，电子自旋的量子信息可以传送至光子。对于跨越芯片连接量子位和增加量子位数量来说，这项研究非常重要。

背景

量子计算机凭借“叠加”和“纠缠”这两个“幽灵般”量子物理原理，展示出巨大的并行计算能力，远远领先经典计算机。理论上说，量子计算机能够非常快速地解决世界上最强大的经典计算机经过漫长时间才能解决的复杂计算问题。

量子计算机是如何达到如此强大的计算能力的呢？笔者在之前的文章中为大家介绍过，今天让我们再回顾一下。

不同于经典计算机存储信息所采用的比特位（0或1），量子计算机表示信息所用的是量子位。量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等），它可同时处于“即是0又是1”的状态。举例来说，在某一时刻，2个比特位的经典计算机只能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个；而两个量子位的量子计算机则可以同时存储这4个数，因为每个量子位可同时表示两个数。也就是说，读取4个数时，量子计算机一次就可以完成，而经典计算机则要顺序执行4次。因此，随着量子位的增加，系统所存储的信息量会呈指数方式增长。

如今，全球各国都在加大对于量子技术的研发力度，有关量子技术的竞赛正在轰轰烈烈地展开。各国科学家们都希望创造出更快速、更通用、更小型、更可靠的量子处理器，以及拥有更多的量子位。之前，笔者的多篇文章都介绍过相关创新成果。

例如，澳大利亚和荷兰的科研团队设计出了全球首款硅量子计算机芯片。基于硅自旋量子位的新方案，他们重新构思了常用的“硅”微处理器，设计出全新的硅量子计算机芯片，该芯片可通过最标准的工艺和元件进行制造。

（图片来源：Tony Melov / UNSW）

再例如，美国哈佛物理系实验室，哈佛大学教授 Mikhail Lukin、Markus Greiner和麻省理工学院教授 Vladan Vuletic 领导的科研团队开发出一种特殊的量子计算机，也称为量子模拟器，用于操作物质的量子位。它成功地将激光器调谐为陷阱，通过激光捕获超冷的铷原子，控制51个量子位之间的交互，并以特定顺序组织它们，然后利用量子机制展开必要的计算。

（图片来源：Christine Daniloff / MIT）

创新

荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）也在积极投入到全球量子处理器的研发竞赛中，TU Delft 的研究机构 QuTech 正努力开发几款量子芯片。近日，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队展示了在硅量子芯片中，电子自旋的量子信息可以传送至光子。对于跨越芯片连接量子位和扩大量子位的数量来说，这一点非常重要。他们的研究成果发表于1月25日的《自然》（Science）杂志。

（图片来源：TU Delft）

技术

首先，让我们关注材料。这种量子计算机的核心是由硅制成。代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）以及 QuTech 的教授 Lieven Vandersypen 解释道：“这是一种我们非常熟悉的材料。硅广泛应用于晶体管，存在于所有的电子器件中。”然而，对于量子技术来说，硅也是一种非常有前途的材料。博士研究生 Guoji Zheng 表示：“我们可以使用电场捕捉硅中的单个电子作为量子位使用。这是一种非常引人注目的材料，因为它保证了量子位中的信息可以长时间存储。”

（图片来源：TU Delft）

其次，让我们关注量子位。有用的计算需要大量量子位。让量子位数量规模扩展到很大，将是一项全球性的挑战。研究员 Nodar Samkharadze 表示：“为了同时使用许多的量子位，这些量子位需要相互连接，同时需要良好的通信。”目前，被捕捉作为量子位的电子只能与它们的近邻直接接触。Nodar 说：“这使得扩大量子位数量变得非常困难。”

其他的量子系统一般使用光子进行长距离交互。例如，笔者曾介绍过西班牙科研人员实现的一种基础的“混合”量子网络连接，首次使用单个光子作为信息载体，在位于不同实验室的两个不同的量子节点之间进行光量子通信。

（图片来源：ICFO/Scixel）

许多年来，使用光子进行长距离通信也是硅的一个主要目标。而只是在最近这些年，科学家们才在这方面取得了进展。最近，Delft 的科学家们展示了单个电子自旋和单个光子可以在硅芯片上耦合。这种耦合使得在自旋和光子之间传输信息，原则上变得有可能。

价值

Guoji Zheng 表示：“这对于连接距离遥远的硅芯片上的量子位来说很重要，从而为在多个硅芯片上扩大量子位的数量铺平了道路。”

Vandersypen 为他的团队感到自豪，他说：“我的团队在相对较短的时间内，顶着来自全球竞争的巨大压力，完成了这一创新成果。”这是一项真正的Delft 的突破。Nodar Samkharadze 补充说：“衬底是在 Delft 制作，芯片也是在 Delft 的净室制造，所有的测量都是在QuTech开展。”

未来

科学家们正在为接下来的步骤努力工作。Vandersypen 表示：“现在目标就是通过光子将电子自旋的信息转移到另外一个。