電光對(duì)話，量子計(jì)算機(jī)舉目可及

晨飛

美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究者打造了一臺(tái)設(shè)備，使硅基量子計(jì)算機(jī)離現(xiàn)實(shí)更近了一步。這臺(tái)設(shè)備可以讓單電子將其量子信息傳遞給光子，光子再進(jìn)一步將信息傳遞給其他電子，形成計(jì)算機(jī)電路。該研究在普林斯頓大學(xué)和加州馬里布的HRL 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授杰森·佩塔說，這項(xiàng)建立電子與光子穩(wěn)定傳導(dǎo)性能的研究耗費(fèi)了其5年多的心血。

用于捕捉和操縱單個(gè)和光子的完全封裝的元件。

“就像人類之間的交流，電子和光子之間進(jìn)行有效溝通，也需要首先解決一些問題，來(lái)確保它們使用同樣的語(yǔ)言。”佩塔說，“我們目前能夠讓電子態(tài)的能量跟光子共振，好讓這兩種粒子可以相互‘交談?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)能夠使研究者用光來(lái)連接單電子，而單電子就是量子計(jì)算機(jī)中的比特位（bit），即最小存儲(chǔ)單元。量子計(jì)算機(jī)的先進(jìn)性在于，一旦成為現(xiàn)實(shí)，它將能夠使用電子及其他微觀粒子來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算遵循的是量子規(guī)則而并非日常生活中的物理法則。

我們平常所見的電腦，每個(gè)比特位可以取值0或1。量子比特位——被稱為量子位——可以取值0、1或者同時(shí)取值0和1。這種被稱為態(tài)疊加的特性，使量子計(jì)算機(jī)能夠處理今天計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問題。

用被捕獲的離子和超導(dǎo)體制作的簡(jiǎn)單量子計(jì)算機(jī)目前已經(jīng)研制成功，硅基量子設(shè)備的研發(fā)卻遇到了技術(shù)上的瓶頸。

研究者在新研發(fā)的設(shè)備中同時(shí)捕獲了單電子和單光子，然后調(diào)整電子能量狀態(tài)，使它能夠?qū)⒘孔有畔鬟f給光子。這種匹配可以使光子在相距遠(yuǎn)至1厘米的兩個(gè)量子位之間傳遞信息。

量子信息極度脆弱，環(huán)境稍有擾動(dòng)，信息就會(huì)完全丟失。相對(duì)來(lái)說，光子抗干擾能力更強(qiáng)，不僅能在一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的量子位之間傳遞信息，甚至有在不同的量子芯片之間通過光纜傳遞量子信息的潛能。

然而，要使兩種迥異的粒子進(jìn)行對(duì)話，研究者必須打造一種儀器，為之提供合適的環(huán)境。首先，波音公司和通用汽車公司聯(lián)合HRL 研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的皮特·迪爾曼，制造出一種由硅和硅鍺層組成的半導(dǎo)體芯片。這種結(jié)構(gòu)能夠在芯片表面下捕獲單層電子。之后，普林斯頓的研究者在儀器上方架起了比人類頭發(fā)還細(xì)的導(dǎo)線。這些直徑在納米級(jí)的導(dǎo)線使研究者能夠獲得捕捉單電子所需能量環(huán)境的電壓，將其束縛在硅片上一個(gè)被稱為雙量子點(diǎn)的區(qū)域里。

研究者使用同樣的導(dǎo)線來(lái)調(diào)整被捕獲電子的能級(jí)，以便和光子匹配。該光子被束縛在搭建于硅片上的超導(dǎo)性腔體內(nèi)。

在這一發(fā)現(xiàn)之前，超導(dǎo)體上的量子位只能和相鄰的量子位偶聯(lián)。使用光子和量子位偶聯(lián)，就有可能在位于芯片兩端的量子位之間傳遞信息。

電子的量子信息攜帶的僅僅是它在雙量子點(diǎn)的兩個(gè)能量阱中的位置。電子可以占有兩個(gè)阱中的任何一個(gè)，或者兩個(gè)同時(shí)占有。通過調(diào)節(jié)電壓，研究者可以控制電子在能量阱中的位置。“我們現(xiàn)在具有把這種量子態(tài)信息傳遞給在硅片腔體內(nèi)光子的能力。”文章的第一作者、普林斯頓物理系研究生肖密說，“這從來(lái)沒有在半導(dǎo)體設(shè)備中實(shí)現(xiàn)過，因?yàn)榱孔討B(tài)在信息傳遞出去之前就丟失了?！?p>

普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)教授杰森·佩塔（左）

該設(shè)備的成功歸因于一種新的電路設(shè)計(jì)，該電路可使導(dǎo)線更接近量子位，并且能夠減少其他來(lái)源電磁輻射的干擾。為了降噪，研究者安裝了濾器來(lái)移除設(shè)備導(dǎo)線帶來(lái)的不相關(guān)信號(hào)，這些金屬導(dǎo)線同時(shí)還會(huì)屏蔽量子位，因此濾器的添加使量子位的噪音降低到之前的1%至1‰。最終，研究者計(jì)劃讓該設(shè)備對(duì)電子的本質(zhì)特性——“自旋”——進(jìn)行操作?！拔覀兊拈L(zhǎng)期目標(biāo)是將自旋和電荷偶聯(lián)，構(gòu)成可以進(jìn)行電子控制的自旋量子位系統(tǒng)?！迸逅f，“我們已經(jīng)證明能夠?qū)㈦娮雍凸庾酉到y(tǒng)性偶聯(lián)，這是向未來(lái)將電子自旋和光子偶聯(lián)邁出的重要一步?！?/p>

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)量子信息中心的物理學(xué)家大衛(wèi)·迪文申佐，在1996年發(fā)表的一篇具有影響力的論文中，概括了創(chuàng)造量子計(jì)算機(jī)所必需的5項(xiàng)最基本的必要條件。盡管他沒有參與普林斯頓和HRL 實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的這項(xiàng)研究，但是他表示：“尋找一個(gè)讓單電子量子位實(shí)現(xiàn)強(qiáng)偶聯(lián)的合適條件組合，一直是一個(gè)久攻不下的難點(diǎn)。我非常高興看到他們找到了參數(shù)空間中的一個(gè)區(qū)域，讓系統(tǒng)首次進(jìn)入了強(qiáng)偶聯(lián)的領(lǐng)域?！?