就像打电话一样：量子突破让单个原子实现前所未有的“对话”

科学家们成功将硅芯片内的原子核自旋连接起来，这标志着向可扩展量子计算机迈出了一大步。

新南威尔士大学（UNSW）的工程师们在量子计算领域取得了一项重大突破：他们利用两个原子核的自旋，创建了所谓的“量子纠缠态”。在这种现象中，两个粒子强烈地关联在一起，其行为无法再被独立描述。该研究成果已在《科学》杂志上发表，标志着向大规模量子计算机的发展迈出了关键一步，这被广泛视为21世纪最雄心勃勃的科学与技术前沿之一。

据论文第一作者霍莉·斯滕普博士介绍，这项工作展示了利用现有技术构建未来量子微芯片的路径。

“我们成功地让最干净、最孤立的量子物体，在当前制造标准硅电子器件的规模上，实现了相互‘对话’。”她说道。

设计量子计算机的一个核心难点在于平衡两个相互矛盾的需求：既要保护脆弱的量子态免受干扰和噪声影响，又要让它们能够相互作用以执行计算。这一挑战也解释了为何不同类型的量子硬件仍在竞争中。有些系统能快速执行操作但极易受噪声干扰，而另一些则能更好地抵御干扰但更难控制和扩展。

新南威尔士大学的团队长期致力于一个迄今为止可归为后一阵营的平台。他们使用植入硅芯片中的磷原子的原子核自旋来编码量子信息。

“原子核自旋是人们能在固态环境中找到的最干净、最孤立的量子物体，”新南威尔士大学电气工程与电信学院的科学教授安德烈亚·莫雷洛表示。

“在过去的15年里，我们的团队开创了所有突破，使这项技术成为量子计算竞赛中一个真正的竞争者。我们已经证明，我们可以将量子信息保持超过30秒 —— 在量子世界中，这堪称永恒 —— 并且以低于1%的错误率执行量子逻辑操作。

我们是世界上首个在硅器件中实现这一目标的团队，但这一切都付出了代价：正是使原子核如此干净的隔离性，使得将它们连接起来以构建大规模量子处理器变得异常困难。”

在此之前，操作多个原子核的唯一方法是让它们在固体内部靠得非常近，并且被同一个电子所包围。

“大多数人认为电子是最小的亚原子粒子，但量子物理学告诉我们，它具有在空间中‘扩散’的能力，因此它可以与多个原子核相互作用，” 在新南威尔士大学进行此项研究、现为波士顿麻省理工学院博士后研究员的霍莉·斯滕普博士说。

“即便如此，电子能够扩散的范围仍然非常有限。此外，向同一个电子添加更多的原子核使得单独控制每个原子核变得极具挑战性。”

通过电子“电话”让原子核对话

“打个比方，可以说，到目前为止，原子核就像被放置在隔音房间里的人，”斯滕普博士说。“只要他们都在同一个房间里，他们就可以相互交谈，而且谈话非常清晰。但他们听不到外面的任何声音，而且房间里只能容纳这么多人。这种对话模式无法‘扩展’。

有了这项突破，就好像我们给人们提供了电话，让他们可以与其他房间的人交流。所有的房间内部仍然安静，但现在我们可以在更多人之间进行对话，即使他们相距遥远。”

这些“电话”实际上就是电子。该论文的另一位作者马克·范·布兰肯斯坦解释了在亚原子层面真正发生的事情。

“凭借它们在空间中扩散的能力，两个电子可以在相当远的距离上‘接触’彼此。如果每个电子都直接耦合到一个原子核，那么原子核就可以通过它进行通信。”

那么，实验中涉及的原子核之间的距离有多远呢？

“我们原子核之间的距离约为20纳米 —— 相当于人类头发宽度的千分之一，”斯滕普博士说。
“这听起来不多，但请想一想：如果我们将每个原子核放大到人的大小，那么原子核之间的距离就大约相当于悉尼和波士顿之间的距离！”

她补充说，20纳米正是现代硅计算机芯片在个人电脑和手机中常规制造的尺寸。

“你的口袋或包里现在就有数十亿个硅晶体管，每个晶体管的大小约为20纳米。这是我们真正的技术突破：让我们最干净、最孤立的量子物体以与现有电子设备相同的规模相互对话。这意味着我们可以调整价值万亿美元的半导体行业所开发的制造工艺，来构建基于原子核自旋的量子计算机。”

一条可扩展的前进道路

尽管实验具有特殊性，但研究人员表示，这些设备从根本上与构建当前所有计算机芯片的方式兼容。磷原子是由墨尔本大学的大卫·杰米森教授团队引入芯片的，他们使用的是日本庆应义塾大学的伊藤公平教授提供的超纯硅片。

通过消除原子核必须连接到同一电子的需求，新南威尔士大学的团队扫清了基于原子核的硅量子计算机扩展的最大障碍。

“我们的方法非常稳健且可扩展。在这里我们只使用了两个电子，但将来我们甚至可以添加更多的电子，并将它们强制成细长形状，以进一步扩散原子核，”莫雷洛教授说。“电子很容易移动和‘塑造’成特定形状，这意味着相互作用可以快速而精确地开启和关闭。这正是可扩展量子计算机所需要的。”

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