量子计算的突破:硅量子比特远距离相互作用

量子装置

普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员在探索利用硅组件建造量子计算机方面迈出了重要的一步。与今天的量子计算机硬件相比,硅组件因其成本低、功能多而备受赞誉。该团队展示了一个硅自旋量子比特(如方框所示)可以与计算机芯片上另一个距离很远的量子比特进行通信。这一壮举将使多个量子比特之间的连接能够执行复杂的计算。资料来源:普林斯顿大学Felix Borjans

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,人们只能与隔壁的邻居交谈,信息必须挨家挨户传递,才能到达遥远的目的地。

到目前为止,这种情况一直存在于组成硅量子计算机的硬件上。硅量子计算机是一种比当今版本更便宜、功能更多功能的量子计算机。

现在有一个团队普林斯顿大学已经克服了这一限制,并证明了被称为硅“自旋”量子比特的两个量子计算组件,即使在计算机芯片上相隔较远也能相互作用。这项研究发表在今天(2019年12月25日)的《杂志》上自然

这项研究的负责人、普林斯顿大学尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授杰森·佩塔(Jason Petta)说:“在硅芯片上跨越如此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,从而可以执行更复杂的计算。从长远来看,这项研究将有助于改善芯片上以及芯片之间的量子位通信。”

量子计算机有潜力解决日常计算机能力之外的挑战,比如分解大数字。量子比特可以处理比普通计算机比特多得多的信息,因为每个普通计算机比特的值都是0或1,而量子比特可以同时表示0到1之间的一个值范围。

意识到量子计算这些未来的计算机将需要数万个可以相互通信的量子位。如今,谷歌、IBM和其他公司的量子计算机原型包含了数十个用超导电路技术制成的量子位,但许多技术专家认为,从长远来看,硅基的量子位更有希望。

与超导量子位相比,硅自旋量子位有几个优点。硅自旋量子位元保持其量子状态的时间比竞争对手的量子位元技术长。硅在日常电脑中的广泛应用意味着以硅为基础的量子位元可以以较低的成本制造出来。

这一挑战部分源于这样一个事实:硅自旋量子位元是由单个电子组成的,而且非常小。

英特尔的量子硬件主管詹姆斯·克拉克(James Clarke)说:“对大规模量子计算机来说,多个量子位之间的连线或‘互联’是最大的挑战。”克拉克的团队正在利用英特尔先进的生产线制造硅量子位,但他没有参与这项研究。“杰森·佩塔的团队在证明自旋量子位元可以远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传输光的“线”将量子位连接起来,这种方式类似于将互联网信号传输到家庭的光纤线。然而,在这种情况下,导线实际上是一个包含单个光粒子(光子)的窄腔,它从一个量子位接收信息并将其传输到下一个量子位。

两个量子位相隔约半厘米,或一粒米的长度。从这个角度来看,如果每个量子位都有一座房子那么大,那么这个量子位就能向750英里外的另一个量子位发送信息。

关键的一步是找到一种方法,让量子位元和光子以相同的频率振动,从而让它们说同一种语言。该团队成功地分别调谐了两个量子位元,同时仍然将它们耦合到光子上。在此之前,该设备的架构允许一次只耦合一个量子位到光子。

该研究的第一作者、研究生Felix Borjans说:“你必须平衡芯片两侧的量子比特能量和光子能量,才能让所有三个元素相互对话。”“这是这项工作真正具有挑战性的部分。”

每个量子位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性质,它可以指向上或下,就像指南针指向北或南一样。通过微波场对电子进行冲击,研究人员可以使自旋向上或向下翻转,从而使量子比特的量子态为1或0。

HRL实验室的资深科学家、该项目的合作者撒迪厄斯·拉德(Thaddeus Ladd)说:“这是第一次展示了硅中电子自旋的纠缠,硅之间的距离比那些自旋装置的距离要大得多。”“不久以前,人们对这是否可能存在疑问,因为在硅基器件中,耦合自旋到微波和避免嘈杂电荷移动的影响的要求相互冲突。这是硅量子比特可能性的重要证明,因为它增加了如何连接这些量子比特以及如何在未来基于硅的‘量子微芯片’中以几何方式布置它们的极大灵活性。”

两个相距遥远的硅基量子位器件之间的通信建立在Petta研究小组之前的工作基础上。在2010年发表在《科学》杂志上的一篇论文中,该团队展示了在量子阱中捕获单个电子是可能的。在《自然2012年,该团队报告了从纳米线中的电子自旋到微波频率光子的量子信息转移,2016年,他们在《科学》杂志上展示了从硅基电荷量子位向光子传输信息的能力。2017年,他们在《科学》杂志上展示了最近邻的量子比特信息交易。该团队在2018年表现出自然一个硅自旋量子比特可以和光子交换信息。

斯坦福大学电气工程教授、全球领导力延森·黄教授Jelena Vuckovic没有参与这项研究,他评论说:“量子比特之间的远程相互作用的演示对量子技术的进一步发展至关重要,如模块化量子计算机和量子网络。来自Jason Petta团队的这一令人兴奋的结果是实现这一目标的一个重要里程碑,因为它证明了由微波光子介导的两个距离超过4毫米的电子自旋之间的非局域相互作用。此外,为了建造量子电路,该团队使用了硅和锗——半导体工业中大量使用的材料。”

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参考:F. Borjans, X. G. Croot, X. Mi, M. J. Gullans and J. R. Petta, 2019年12月25日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 019 - 1867 - y

除了Borjans和Petta,以下是对该研究的贡献:Xanthe Croot, Dicke博士后研究员;副研究学者Michael Gullans;小米在普林斯顿大学佩塔研究小组获得博士学位,现在是谷歌的一名研究科学家。

这项研究由陆军研究办公室(grant W911NF-15-1-0149)和戈登和贝蒂·摩尔基金会的EPiQS Initiative (grant GBMF4535)资助。

15个评论关于“量子计算的突破:硅量子比特的远距离相互作用”

  1. 所有这些深度科技投资都一文不值?

  2. 我想知道军方会怎么处理它

  3. 亚飞秒井中所有超高速开关技术的进步,是光电电路和同步编程应用相结合的下一个前沿技术。我们才刚刚开始。醒来。

  4. 我们还没有真正的量子计算机。

  5. 我想知道他们是否会制造一种可以通过无线电记录过去和未来的设备。

  6. 这是不是就像把质子和电子转换成光子,然后对准信号的频率。NASA如何使用他们的量子计算机,因为他们是首批拥有这些计算机的组织之一?

  7. 有趣的

  8. 但是气候变化、环境污染和人口过剩怎么办?如果我们没有一个适宜居住的星球,所有这些花哨的技术都只是浪费时间和资源。

    • 不,量子计算有潜力改善并为整个社会和世界带来许多好处。例如模拟大型化学键的方法,这在目前的计算机上是不可能的,这将有助于发现更好的肥料和新的和/或更有效的药物来治疗疾病。量子计算机也将能够帮助我们发现和创造新的材料和织物,从而产生更坚固、更轻、更好的产品和住房材料。量子计算机也提供了比现在的计算机更好的在线安全性,因为当量子计算机达到量子优势阈值时,它可以很容易地解码当前用于在线交易中隐藏信用卡号码的机制。量子计算机还可以在数小时或数分钟内进行模拟,而最强大的超级计算机需要数万年才能完成,它有可能帮助我们解决许多难题。每一件事情都以某种方式造福整个社会,因为许多应用在许多部门。我希望你们能在互联网上看到这些,并看到改变世界的好处和潜力。

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  9. 我们需要真正的科学家来解决真正的问题。这只是一场自我的竞争。没什么好看的。

  10. 虽然量子计算方面可能很有趣,但量子通信方面让我感兴趣。如果我理解正确的话,相隔很远的纠缠电子仍然能够瞬间反映纠缠态的变化。所以,如果一个纠缠电子被带到火星上的一个碱基上,它的状态随着它在地球上的纠缠“兄弟”而改变,这种改变,当然可能是一种通信,马上就能在火星上看到。

  11. 更像是一个沟通的突破。而不是作者所暗示的那种计算机。

  12. 我建议我们称这种新技术为“次空间通信”,以示敬意。

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