全球首个突破，新南威尔士大学验证了硅中两个原子之间的量子纠缠

澳大利亚新南威尔士大学的量子研究团队展示了一项世界首创成果：两个电子的量子纠缠，每个电子与不同的磷原子结合，放置在硅量子计算机芯片内。

纠缠是最引人注目的量子现象：两个粒子可以处于完全相互关联的状态，但又没有自己的状态。几十年来，纠缠的后果一直困扰着科学家和哲学家。

这项研究的负责人、新南威尔士大学教授安德里亚·莫雷洛 (Andrea Morello) 表示在今天，纠缠是一种资源，是构建强大量子计算机的最重要资源。

这项研究刚刚发表在《自然通讯》期刊上。

新南威尔士大学团队专门研究量子计算机设备，其中信息被编码在单个电子的磁取向或“自旋”中，这些电子与磷原子结合，而磷原子被植入几乎是传统的硅芯片中。这种构建量子计算机的方法非常强大：它结合了硅计算机芯片的大规模可制造性（一个价值数万亿美元的产业，支撑着我们整个数字世界）与原子的微小尺寸和自然量子行为。

研究的主要参与者 Holly Stemp 博士解释道：“磷原子的自旋是一个极好的量子比特。但由于原子太小，很难让它们互相‘交谈’，更不用说产生真正的量子纠缠了。现在团队首次突破性地在硅中的两个原子之间产生可证明的纠缠。”

她补充道，基于纠缠原子的相互作用本身就非常“量子化”。

电子不仅是粒子，也是波，当两束波相互重叠时，就会产生所谓的‘交换相互作用’，这就是研究团队在这里用来纠缠原子的方法。

根据相互作用的强度，研究人员估计原子之间的距离约为 20 纳米，相当于人类头发径度的千分之一。

由于量子纠缠非常难以捉摸且脆弱，证明它的存在本身就是一项挑战。新南威尔士大学的工程师与美国桑迪亚国家实验室的专家合作，开发并应用了复杂的技术来量化用于纠缠原子的量子操作的“保真度”（即完美程度）。

这是第一次完美到可以毫无疑问地证明原子之间存在纠缠。

证明依赖于“贝尔态”概念，（以物理学家约翰·贝尔的名字命名，他于 1964 年解释了量子纠缠的深层含义）。这一突破还需要开发特别定制的技术将原子植入硅芯片，这项操作由墨尔本大学大卫·杰米森教授的团队进行。

纠缠是量子计算的关键资源

莫雷洛强调了这一结果对于量子计算机的运行的重要性。

他说：“当试图用简单的术语解释量子计算机的强大之处时，人们经常引用量子叠加‘同时为 0 和 1’。”

“但真正改变游戏规则的是纠缠，因为它使我们能够创建传统计算机中不存在的数字代码字。”

此外，纠缠是不同量子比特之间的“量子链接”，因此它是扩大量子计算机规模的重要工具。

将来希望利用植入硅中的原子来构建量子计算机。原子既小又完美，如果我们能借用价值数万亿美元的半导体行业的方法来处理它们，那将是一件了不起的事情。两个原子之间的量子纠缠将解锁下一代硅量子计算机芯片的功能。

（图片说明：从左下角开始顺时针方向：硅芯片用于承载纳米电子设备，该设备包含一对磷原子，通过行业标准的离子注入方法引入芯片。交换相互作用 J 是由与原子结合的电子的概率波重叠产生的，用于创建两个电子自旋的纠缠“贝尔态”。图片来源：新南威尔士大学。)

这是世界上第一次在硅的两个原子之间产生可证实的纠缠。纠缠是量子计算“真正改变游戏规则的因素”，因为它允许创造在经典计算机中根本不存在的数字密码。

这种现象很难证明，因为量子纠缠是一种难以维持的脆弱状态，研究中的演示持续约200微秒。