想象一下一個世界，那里的人們只能與隔壁的鄰居交談，并且必須挨家挨戶傳遞消息才能到達較遠的目的地。

到現(xiàn)在為止，構成硅量子計算機的硬件的情況一直是這種情況，硅量子計算機是一種類型的量子計算機，與今天的版本相比，其價格可能更便宜且用途更多。

現(xiàn)在，普林斯頓大學的一個團隊克服了這一限制，并證明了兩個量子計算組件，即硅“自旋”量子位，即使在計算機芯片上相距較遠時也可以相互作用。該 研究 發(fā)表在《自然》雜志上。

這項研究的負責人，普林斯頓大學尤金·希金斯物理學教授 杰森·皮塔說：“在硅芯片上跨此距離傳輸消息的能力為我們的量子硬件帶來了新的功能 。” 最終目標是將多個量子位排列在二維網(wǎng)格中，從而可以執(zhí)行更復雜的計算。從長遠來看，這項研究將有助于改善芯片上以及從一個芯片到另一個芯片的量子位通信。”

量子計算機具有解決日常計算機功能之外的挑戰(zhàn)的潛力，例如分解大量數(shù)據(jù)。量子位或qubit可以比日常計算機位處理更多的信息，因為每個經(jīng)典計算機位可以具有0或1的值，而量子位可以同時表示0到1之間的值范圍。

為了實現(xiàn)量子計算的承諾，這些未來派計算機將需要成千上萬個可以相互通信的量子比特。如今，谷歌，IBM和其他公司生產(chǎn)的原型量子計算機包含數(shù)十種量子比特，這些量子比特是由涉及超導電路的技術制成的，但是從長遠來看，許多技術專家認為硅基量子比特更有希望。

硅自旋量子位比超導量子位具有多個優(yōu)勢。硅自旋量子位比競爭性量子位技術保留更長的量子態(tài)。硅在日常計算機中的廣泛使用意味著可以以低成本制造硅基量子比特。

挑戰(zhàn)部分源于硅自旋量子位由單個電子構成且非常小的事實。

英特爾量子硬件主管詹姆斯·克拉克(James Clarke)說：“多個量子位之間的布線或'互連'是大規(guī)模量子計算機面臨的最大挑戰(zhàn)，”他的團隊正在利用英特爾先進的生產(chǎn)線制造硅量子位。在研究中。“ Jason Petta的團隊在證明自旋量子位可以長距離耦合方面做出了巨大的努力。”

為此，普林斯頓大學的團隊通過一條“電線”連接了量子比特，“電線”以類似于將互聯(lián)網(wǎng)信號傳輸?shù)郊彝サ墓饫w電線的方式來承載光。但是，在這種情況下，導線實際上是一個狹窄的空腔，其中包含單個光或光子粒子，它從一個量子位中提取消息并將其傳輸?shù)较乱粋€量子位。

兩個量子位相距約半厘米，或約一米粒的長度。從角度來看，如果每個量子位都等于一所房子的大小，那么該量子位就可以向位于750英里之外的另一個量子位發(fā)送消息。

向前邁出的關鍵一步是找到一種方法，通過調諧所有三個量子比特和光子以相同的頻率振動，從而使它們能說相同的語言。該團隊成功地彼此獨立地調諧了兩個量子位，同時仍將它們耦合到光子。以前，該設備的體系結構一次只能將一個量子比特耦合到光子。

“您必須在芯片兩側的量子位能量與光子能量之間取得平衡，以使所有三個元素彼此對話，” 該研究的第一作者，研究生菲利克斯·博爾詹斯(Felix Borjans)說 。“這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部分。”

每個量子位由捕獲在一個稱為雙量子點的微小室內的單個電子組成。電子具有一種稱為自旋的特性，可以像指向北或南的羅盤針一樣向上或向下指向。通過用微波場對電子進行拍打，研究人員可以上下旋轉自旋，以為量子位分配1或0的量子態(tài)。

HRL實驗室的高級科學家，該項目的合作者Thaddeus Ladd說：“這是硅中自旋糾纏電子自旋的第一個證明，該距離遠大于容納這些自旋的器件。” “不久前，由于將自旋耦合到微波并避免了硅基器件中的噪聲電荷移動的影響，人們對是否有可能存在疑問。這是硅量子位的重要可能性證明，因為它為如何布線這些量子位以及如何在未來的基于硅的“量子微芯片”中進行幾何布局提供了極大的靈活性。”

兩個遙遠的基于硅的量子位設備之間的通信建立在Petta研究團隊先前的工作基礎上。在 2010年 《科學》雜志的一篇論文中，研究小組表明有可能在量子阱中捕獲單電子。該團隊在2012年的《自然》雜志上 報道了量子信息從納米線的電子自旋轉移到微波光子的過程， 2016年在《科學》雜志上，他們展示了將信息從硅基電荷量子位傳遞到光子的能力。他們在2017 年的《科學》雜志中以qubit展示了最近的信息交易。該團隊在 2018 年的《自然》雜志上展示了硅自旋量子位可以與光子交換信息。

斯坦福大學電氣工程學教授Jelena Vuckovic和全球領導力的Jensen Huang教授(未參與此項研究)評論說：“證明量子位之間的遠程相互作用對于進一步發(fā)展諸如模塊化量子等量子技術至關重要。計算機和量子網(wǎng)絡。杰森·佩塔(Jason Petta)團隊的令人振奮的結果是實現(xiàn)這一目標的重要里程碑，因為它證明了由微波光子介導的，間隔超過4毫米的兩個電子自旋之間的非局部相互作用。此外，為了構建這種量子電路，該團隊采用了硅和鍺(半導體行業(yè)中大量使用的材料)。”