量子技術新突破：硅晶元中電子自旋與光子的耦合
背景
量子計算機憑藉「疊加」和「糾纏」這兩個「幽靈般」量子物理原理，展示出巨大的並行計算能力，遠遠領先經典計算機。理論上說，量子計算機能夠非常快速地解決世界上最強大的經典計算機經過漫長時間才能解決的複雜計算問題。
量子計算機是如何達到如此強大的計算能力的呢？筆者在之前的文章中為大家介紹過，今天讓我們再回顧一下。
不同於經典計算機存儲信息所採用的比特位（0或1），量子計算機表示信息所用的是量子位。量子位是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等），它可同時處於「即是0又是1」的狀態。舉例來說，在某一時刻，2個比特位的經典計算機只能存儲4個二進位數：00、01、10、11中的一個；而兩個量子位的量子計算機則可以同時存儲這4個數，因為每個量子位可同時表示兩個數。也就是說，讀取4個數時，量子計算機一次就可以完成，而經典計算機則要順序執行4次。因此，隨著量子位的增加，系統所存儲的信息量會呈指數方式增長。
如今，全球各國都在加大對於量子技術的研發力度，有關量子技術的競賽正在轟轟烈烈地展開。各國科學家們都希望創造出更快速、更通用、更小型、更可靠的量子處理器，以及擁有更多的量子位。之前，筆者的多篇文章都介紹過相關創新成果。
例如，澳大利亞和荷蘭的科研團隊設計出了全球首款硅量子計算機晶元。基於硅自旋量子位的新方案，他們重新構思了常用的「硅」微處理器，設計出全新的硅量子計算機晶元，該晶元可通過最標準的工藝和元件進行製造。
（圖片來源：Tony Melov / UNSW）
再例如，美國哈佛物理系實驗室，哈佛大學教授 Mikhail Lukin、Markus Greiner和麻省理工學院教授 Vladan Vuletic 領導的科研團隊開發出一種特殊的量子計算機，也稱為量子模擬器，用於操作物質的量子位。它成功地將激光器調諧為陷阱，通過激光捕獲超冷的銣原子，控制51個量子位之間的交互，並以特定順序組織它們，然後利用量子機制展開必要的計算。
（圖片來源：Christine Daniloff / MIT）
創新
荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft ）也在積極投入到全球量子處理器的研發競賽中，TU Delft 的研究機構 QuTech 正努力開發幾款量子晶元。近日，荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft ）教授 Vandersypen 領導的科學家團隊展示了在硅量子晶元中，電子自旋的量子信息可以傳送至光子。對於跨越晶元連接量子位和擴大量子位的數量來說，這一點非常重要。他們的研究成果發表於1月25日的《自然》（Science）雜誌。
（圖片來源：TU Delft）
技術
首先，讓我們關注材料。這種量子計算機的核心是由硅製成。代爾夫特理工大學科維理納米科學研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）以及 QuTech 的教授 Lieven Vandersypen 解釋道：「這是一種我們非常熟悉的材料。硅廣泛應用於晶體管，存在於所有的電子器件中。」然而，對於量子技術來說，硅也是一種非常有前途的材料。博士研究生 Guoji Zheng 表示：「我們可以使用電場捕捉硅中的單個電子作為量子位使用。這是一種非常引人注目的材料，因為它保證了量子位中的信息可以長時間存儲。」
（圖片來源：TU Delft）
其次，讓我們關注量子位。有用的計算需要大量量子位。讓量子位數量規模擴展到很大，將是一項全球性的挑戰。研究員 Nodar Samkharadze 表示：「為了同時使用許多的量子位，這些量子位需要相互連接，同時需要良好的通信。」目前，被捕捉作為量子位的電子只能與它們的近鄰直接接觸。Nodar 說：「這使得擴大量子位數量變得非常困難。」
其他的量子系統一般使用光子進行長距離交互。例如，筆者曾介紹過西班牙科研人員實現的一種基礎的「混合」量子網路連接，首次使用單個光子作為信息載體，在位於不同實驗室的兩個不同的量子節點之間進行光量子通信。
（圖片來源：ICFO/Scixel）
許多年來，使用光子進行長距離通信也是硅的一個主要目標。而只是在最近這些年，科學家們才在這方面取得了進展。最近，Delft 的科學家們展示了單個電子自旋和單個光子可以在硅晶元上耦合。這種耦合使得在自旋和光子之間傳輸信息，原則上變得有可能。
價值
Guoji Zheng 表示：「這對於連接距離遙遠的硅晶元上的量子位來說很重要，從而為在多個硅晶元上擴大量子位的數量鋪平了道路。」
Vandersypen 為他的團隊感到自豪，他說：「我的團隊在相對較短的時間內，頂著來自全球競爭的巨大壓力，完成了這一創新成果。」這是一項真正的Delft 的突破。Nodar Samkharadze 補充說：「襯底是在 Delft 製作，晶元也是在 Delft 的凈室製造，所有的測量都是在QuTech開展。」
未來
科學家們正在為接下來的步驟努力工作。Vandersypen 表示：「現在目標就是通過光子將電子自旋的信息轉移到另外一個。」
關鍵字
電子、量子、光子
參考資料
【1】https://www.tudelft.nl/en/2018/tu-delft/quantum-race-accelerates-development-of-silicon-quantum-chip/
【2】By N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen.Strong spin-photon coupling in silicon. Science, 2018 DOI: 10.1126/science.aar4054
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