一組國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破:首次利用兩個(gè)原子核的自旋實(shí)現(xiàn)了“量子糾纏態(tài)”,讓原子核實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)距離聊天”。這一糾纏是量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的核心資源,顯示出利用現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)和制造工藝打造未來量子芯片的巨大潛力。該成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上,標(biāo)志著向構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了關(guān)鍵一步。

量子計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨一個(gè)根本性矛盾:既要保護(hù)量子比特免受外界噪聲和干擾,又要讓它們能夠相互作用以執(zhí)行計(jì)算。這也解釋了為何目前存在多種硬件平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展——有些擅長(zhǎng)快速操作卻易受噪聲影響,有些抗干擾能力強(qiáng)卻難以擴(kuò)展。此次研究專注于一種此前被認(rèn)為難以擴(kuò)展的技術(shù)路徑:利用植入硅芯片中的磷原子核自旋來編碼量子信息。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)此前已證明,量子信息可在原子核中保持超過30秒(這在量子尺度上已經(jīng)是非常長(zhǎng)的時(shí)間),并能以低于1%的錯(cuò)誤率執(zhí)行量子邏輯操作。但這一優(yōu)勢(shì)卻難以擴(kuò)展。

團(tuán)隊(duì)此次通過讓每個(gè)原子核與一個(gè)獨(dú)立的電子耦合,再讓這兩個(gè)電子在空間中相互作用,從而實(shí)現(xiàn)原子核之間的遠(yuǎn)距離通信。此前,原子核就像被關(guān)在隔音房間里的個(gè)體,雖然同處一室時(shí)對(duì)話清晰,但無法與外界溝通。現(xiàn)在,團(tuán)隊(duì)相當(dāng)于給了它們一部“電話”,可與其他房間進(jìn)行通話。每個(gè)房間依然安靜、隔離良好,但交流范圍卻大大擴(kuò)展。

實(shí)驗(yàn)中,兩個(gè)原子核相距約20納米(僅為人頭發(fā)絲直徑的千分之一)。團(tuán)隊(duì)解釋稱,這聽起來微小,但如果將原子核放大到一個(gè)人的大小,它們之間的距離相當(dāng)于悉尼與波士頓之間的跨度。更重要的是,20納米正是當(dāng)前用于制造手機(jī)和電腦芯片的現(xiàn)代硅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尺度。測(cè)試中,團(tuán)隊(duì)利用日本慶應(yīng)義塾大學(xué)提供的超純硅晶圓,將磷原子精準(zhǔn)植入芯片。

基于原子核自旋的硅量子計(jì)算機(jī),正在規(guī)模化道路上前進(jìn),此次成果掃清了一個(gè)最大障礙,且新方法既穩(wěn)健又可擴(kuò)展。目前實(shí)驗(yàn)僅使用兩個(gè)電子,未來可引入更多電子,實(shí)現(xiàn)相互作用的快速、精確開關(guān)。