自旋量子比特在量子計(jì)算領(lǐng)域具有更好的發(fā)展前景

量子計(jì)算機(jī)理論上可以解決任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都無法解決的問題，但前提是它們擁有許多被稱為量子比特的部分。現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)在一個(gè)芯片上制造了超過15萬個(gè)硅基量子比特，它們可能能夠與光連接在一起，以幫助形成通過量子互聯(lián)網(wǎng)連接的強(qiáng)大量子計(jì)算機(jī)。

我們知道，經(jīng)典計(jì)算機(jī)通過打開或關(guān)閉晶體管來將數(shù)據(jù)表示為 1 或 0。相比之下，量子計(jì)算機(jī)使用量子比特。并且，由于量子物理學(xué)的超現(xiàn)實(shí)屬性，量子比特可以在疊加態(tài)中存在，在這種狀態(tài)中它們基本上同時(shí)表示為 1 和 0。這種現(xiàn)象讓每個(gè)量子比特同時(shí)執(zhí)行兩次計(jì)算。在量子計(jì)算機(jī)中，連接或糾纏的量子比特越多，計(jì)算能力就會以指數(shù)方式增加。

目前，量子計(jì)算機(jī)是嘈雜中型量子（noisy intermediate-scale quantum， NISQ）平臺，這意味著它們的量子比特?cái)?shù)最多可達(dá)幾百個(gè)。但為了證明對實(shí)際應(yīng)用的效用，未來的量子計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)千個(gè)量子比特來幫助抵消誤差。

與此同時(shí)，很多不同類型的量子比特正在開發(fā)之中，如超導(dǎo)電路、電磁俘獲離子和冷凍氖。在這項(xiàng)研究中，研究者發(fā)現(xiàn)用硅制造的自旋量子比特可能在量子計(jì)算領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。

“硅自旋是自然界最優(yōu)秀的自然量子位之一，”研究報(bào)告作者Stephanie Simmons說，她是加拿大不列顛哥倫比亞省西蒙菲莎大學(xué)的量子工程師。

自旋量子位中的“自旋”是粒子（如電子或原子核）的角動(dòng)量。自旋可以向上或向下指向，就像指南針指向北方或南方一樣。自旋量子位可以存在于疊加中，在疊加中它同時(shí)向兩個(gè)方向定向。

硅自旋量子比特是迄今為止最穩(wěn)定的量子比特之一。此外，在全球半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)十年發(fā)展工作的支持下，這項(xiàng)技術(shù)理論上可以迅速擴(kuò)大規(guī)模。

“截至目前，科學(xué)家們只在硅電子中測量了單自旋。這反過來意味著將自旋糾纏在一起的唯一方式是電磁，而這這必須通過彼此非常接近的量子比特來完成，”Simmons表示，“從工程角度來看很難擴(kuò)展。”

現(xiàn)在，研究人員首次在硅的量子位中通過光學(xué)方式檢測到單自旋。Simmons 認(rèn)為，這種對自旋量子位的光學(xué)訪問表明，有朝一日可能會利用光“讓量子位在芯片上或數(shù)據(jù)中心上相互糾纏，就像它們并排在一起一樣容易”。

新的自旋量子比特基于輻射損傷中心（radiation damage centers），也即使用離子注入或高能電子輻射產(chǎn)生的硅內(nèi)部缺陷。具體而言，它們可以被稱為 T 中心（T centers），每個(gè)都由兩個(gè)碳原子、一個(gè)氫原子和一個(gè)不成對電子組成。

每個(gè)T中心都有一個(gè)未配對的電子自旋和一個(gè)氫原子核自旋，每個(gè)都可以作為量子位。電子自旋可以保持相干或穩(wěn)定超過2毫秒；氫原子的核自旋可以保持1.1秒以上。Simmons說：“我們的硅自旋量子比特的長壽命已經(jīng)相當(dāng)有競爭力，我們有辦法把它們推向更遠(yuǎn)的地方?！?/p>

研究人員在商業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)絕緣體上硅集成光子晶片上印制了150000個(gè)被稱為“微圓盤（micropucks）”的點(diǎn)。西蒙菲莎大學(xué)的研究主要作者Daniel Higginbottom說，每個(gè)微圓盤的寬度從0.5到2.2微米不等，它們平均都擁有一個(gè) T 中心。

在磁場下，每個(gè)T中心的自旋量子位態(tài)的能量稍有不同，每個(gè)都發(fā)射不同波長的光。這使科學(xué)家能夠在這些T中心光學(xué)檢測每個(gè)自旋量子位的狀態(tài)。

這些自旋量子位發(fā)射的波長位于近紅外O波段。這意味著這些自旋量子位可以通過發(fā)射電信網(wǎng)絡(luò)中常用的那種光與其他量子位連接，幫助量子位在量子處理器內(nèi)協(xié)同工作，并幫助量子計(jì)算機(jī)通過量子互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行合作。

此外，“電子和核自旋量子比特可以一起操作——核自旋作為長壽命記憶量子比特，電子自旋作為光耦合通信量子比特，并且可以使用微波場在它們之間交換信息，”Simmons說，“沒有任何其他物理量子系統(tǒng)將提高西能量子存儲器、與電信光子的直接和牢固聯(lián)系以及硅的商業(yè)前景結(jié)合在一起，硅是現(xiàn)代微電子和集成光子學(xué)的世界頂級平臺?！?/p>

自20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家就知道了T中心。Simmons說，“研究人員可能認(rèn)為硅中的候選自旋光子量子位不太可能與金剛石和碳化硅等其他材料中的候選自旋光子量子位競爭。這對我們來說是個(gè)謎?！?/p>

總之，“我們對這些量子位的基本可擴(kuò)展性感到最興奮，”Simmons說，“這是量子計(jì)算機(jī)國際競賽的新參與者，我們認(rèn)為前景非常光明?！?/p>

雖然研究人員在這項(xiàng)新的研究中制造了許多量子比特，“這些還沒有連接到一臺工作的量子計(jì)算機(jī)上，”Simmons警告說，“對這些自旋的光學(xué)訪問將使這種布線比許多其他方法容易得多，但這項(xiàng)技術(shù)仍然很年輕，還有很多工作要做?！?/p>