硅量子比特和光源增加了新的量子計算能力

該研究 發(fā)表 在Nature雜志上，由普林斯頓大學(xué)的研究人員與德國康斯坦茨大學(xué)的同事和聯(lián)合量子研究所合作領(lǐng)導(dǎo)，該研究所是馬里蘭大學(xué)和標準與技術(shù)研究所的合作伙伴。 。

該團隊利用被稱為雙量子點的硅腔中的單個電子創(chuàng)建了量子比特。通過施加磁場，他們表明他們可以將稱為自旋的電子特性編碼的量子信息傳遞給光子或光子粒子，從而打開傳輸量子信息的可能性。

普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授 杰森佩塔說：“這是硅自旋量子比特的突破年 。” “這項工作將我們的努力擴展到一個全新的方向，因為它將你帶出一個二維景觀生活，在那里你只能做最近鄰的耦合，進入一個全面連通的世界，”他說過。“這為我們制造設(shè)備的方式創(chuàng)造了靈活性。”

量子器件提供了當(dāng)今計算機無法實現(xiàn)的計算可能性，例如分解大量數(shù)據(jù)和模擬化學(xué)反應(yīng)。與傳統(tǒng)計算機不同，這些設(shè)備根據(jù)控制非常小的結(jié)構(gòu)(如單原子和亞原子粒子)的量子力學(xué)定律運行。主要技術(shù)公司已經(jīng)在建立基于超導(dǎo)量子比特和其他方法的量子計算機。

康斯坦茨大學(xué)物理學(xué)教授Guido Burkard說：“這一結(jié)果為按照半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的配方提供了擴展到更復(fù)雜系統(tǒng)的途徑。”他與博士后研究員MónicaBenito合作提供了理論方面的指導(dǎo)。 。“這就是愿景，這是非常重要的一步。”

雅各布·泰勒(Jacob Taylor)是該團隊的成員，也是聯(lián)合量子研究所(Joint Quantum Institute)的研究員，他將這種光線比作可以連接自旋量子比特的導(dǎo)線。“如果你想用這些被困電子制造量子計算設(shè)備，你如何在芯片上發(fā)送信息?你需要量子計算相當(dāng)于電線。“

硅自旋量子比競爭量子比特技術(shù)更具彈性，可以解決外部干擾，如熱量和振動，從而破壞固有脆弱的量子態(tài)。讀出量子計算結(jié)果的簡單行為可以破壞量子態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為“量子爆破”。

研究人員推測，目前的方法可以避免這個問題，因為它使用光來探測量子系統(tǒng)的狀態(tài)。Light已經(jīng)被用作通過光纜將電纜和互聯(lián)網(wǎng)信號帶入家庭的信使，它也被用于連接超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)，但這是硅自旋量子比特中的首批應(yīng)用之一。

在這些量子比特中，信息由電子的自旋表示，可以指向上或向下。例如，向上旋轉(zhuǎn)可以表示0，向下旋轉(zhuǎn)可以表示1.相反，傳統(tǒng)計算機使用電子電荷來編碼信息。

連接基于硅的量子比特，以便它們可以相互通信而不會破壞它們的信息，這對該領(lǐng)域來說是一個挑戰(zhàn)。雖然 普林斯頓領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功地將兩個相鄰的電子自旋耦合 了僅100納米(100億分之一米)，正如2017年12月的“科學(xué)”雜志所公布的那樣，將自旋與光耦合，這將實現(xiàn)長距離自旋自旋耦合，直到現(xiàn)在仍然是一個挑戰(zhàn)。

在當(dāng)前的研究中，該團隊通過將量子比特的信息(即，自旋指向上或下)耦合到光子或光子的粒子來解決長距離通信的問題，光子被困在腔室中的量子位上方。光子的波浪狀特性允許它像量子波動一樣在量子比特上方振蕩。

研究生肖密及其同事想出了如何將有關(guān)旋轉(zhuǎn)方向的信息與光子聯(lián)系起來，以便光可以從量子比特中獲取信息，例如“旋轉(zhuǎn)點”。“單個旋轉(zhuǎn)與單個光子的強耦合是一項非常困難的任務(wù)，類似于精心編排的舞蹈，”Mi說。“參與者之間的互動 - 旋轉(zhuǎn)，充電和光子 - 需要精確設(shè)計并保護其免受環(huán)境噪音的影響，直到現(xiàn)在還不可能。”普林斯頓大學(xué)的團隊包括博士后研究員Stefan Putz和研究生David Zajac。

通過利用光的電磁波特性，可以實現(xiàn)這一進步。光由振蕩的電場和磁場組成，研究人員成功地將光的電場耦合到電子的自旋狀態(tài)。

研究人員通過建立于2016年12月發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的團隊發(fā)現(xiàn)， 證明了單個電子電荷和單個光子粒子之間的耦合。

為了誘導(dǎo)量子比特將其自旋狀態(tài)傳輸?shù)焦庾?，研究人員將電子自旋置于大磁場梯度中，使得電子自旋具有不同的取向，這取決于它占據(jù)的量子點的哪一側(cè)。磁場梯度與該組在2016年展示的電荷耦合相結(jié)合，將量子比特的自旋方向與光子的電場耦合。

理想情況下，光子然后將信息傳遞到位于腔室內(nèi)的另一個量子位。另一種可能性是光子的消息可以通過電線傳送到讀出消息的設(shè)備。研究人員正在研究這一過程中的后續(xù)步驟。

Petta說，在制造硅基量子計算機之前，仍然需要幾個步驟。日常計算機處理數(shù)十億比特，雖然量子比特在計算上更強大，但大多數(shù)專家都同意需要50或更多的量子比特來實現(xiàn)量子至上，量子計算機將開始超越它們的經(jīng)典對應(yīng)物。

瑞士巴塞爾大學(xué)物理學(xué)教授Daniel Loss熟悉這項工作，但沒有直接參與，他說：“Petta教授和合作者的工作是最近旋轉(zhuǎn)量子比特領(lǐng)域最激動人心的突破之一。年份。我一直關(guān)注杰森的工作多年，我對他為這個領(lǐng)域設(shè)定的標準給我留下了深刻的印象，并且這個最新的實驗再一次出現(xiàn)在自然界。這是建立真正強大的量子計算機的一個重要里程碑，因為它開辟了在平方英寸芯片上塞滿數(shù)億個量子比特的途徑。這些都是該領(lǐng)域非常令人興奮的發(fā)展 - 甚至更遠。“