前沿｜量子计算新突破点：电子-光子的「闲聊」

选自phys

机器之心编译

参与：朱思颖、杜夏德

为了进一步实现基于硅的量子计算机，普林斯顿大学的研究者已经建造了一个可以让单个电子传递其量子信息给光粒子的设备。光粒子也就是光子，在接收信息之后可以充当信使从而把所接收的信息传给其他的电子。由光子所创造的这种连接关系构成了量子计算机的回路。

这项已在 Science 上发表的研究，是普林斯顿大学和加州马利布休斯研究实验室共同指导完成的，展现了他们 5 年多努力的成果。这 5 年多的研究中，他们为单个电子和光子之间的对话来打造强大的能力支撑，据 来自普林斯顿大学的物理教授 Jason Petta 所说。

「就像人类之间的互动一样，一个良好的交流是要以很多事情的铺垫完成为前提的，比如说帮助交流双方讲同一种语言等，」Petta 说。「我们能够使电子态的能量与为光粒子的共振，从而使电子和光子能够互相对话。」

这项发现将帮助研究者运用光来联系单独的电子，这些电子充当量子计算机的比特也即是量子计算机里最小的数据单元。一旦实现，量子计算机将是先进的设备，其能够运用微小粒子（如电子）实现高级计算，这些微小粒子遵从量子定律而不是日常生活中的物理定律。

我们现在每天所使用的计算机中每一位比特的值要么是 1 要么是 0。量子比特（qubit）可以是 0 与 1 之间的一个值，或同时都为 0、同时都为 1。这种叠加就是为大家所熟知的量子特性，能够让量子计算机处理现在的计算机所不能解决的复杂问题。

单个量子计算机已经通过囚禁粒子和超导体建造出来了，但是技术挑战减慢了基于硅的量子设备的研发进度。在构建量子计算机的时候，硅是非常诱人的材料，因为硅的价格不贵而且已广泛用于今天的智能手机和计算机的设备制造中。

研究员们在他们的设备里囚禁了一个电子和一个光子，然后把电子的能量用这样的一个方式转移给光子。通过这样的耦合使得光子把所携带的信息从一个量子位转移到位于一厘米之外的另一个量子位。

量子信息是极度脆弱的，即使是来自所在环境里最轻微的干扰，将会导致其携带信息的全部丢失。光子对抗干扰的能力更加强健，此外光子不仅能够在量子计算机的回路中将携带的量子信息从一个量子比特传递到另一个量子比特，而且可以在量子芯片之间通过电缆传递。

为了使这两种不同类型的粒子能够互相「交流」，研究员们还必须建立一个提供适宜「交流」环境的设备。首先，休斯研究实验室（一个由波音公司和通用汽车拥有的研发实验室）的 Peter Deelman 装配出了一个半导体芯片，这个芯片由多层的硅和硅锗构成。这个装配的半导体芯片在其芯片表面之下囚禁了单层的电子。下一步，普林斯顿大学的研究员们在装置的顶部铺设了细微导线，每根导线的宽度只有人头发丝的几分之一。这些直径为毫微米的导线所传导的电压创建了能够囚禁单个电子的能级相图，而这些囚禁的电子将会在限制在硅的被称为双量子点（double quantum dot）的区域里。

研究员们用这些导线来将囚禁电子的能级调整到与光子所匹配的程度，光子是由芯片顶层超导腔所囚禁。在这项研究发现之前，半导体的量子比特仅能被其相邻的量子比特耦合。通过光来耦合量子比特，将可以在位于芯片相对两端的量子比特之间进行信息传递。

电子的量子信息无非就是其处于双量子点的 2 个能量穴（energy pocket）其中之一的位置信息。电子能占据两个能量穴之一或同时占据两个能量穴。通过控制用于设备的电压，研究员们就能够控制电子在哪个能量穴中。

「我们现在有实际转移电子量子态给囚禁在超导腔中的光子的能力了，」普林斯顿的物理系研究生也是论文的第一作者 Xiao Mi 说。「这一过程之前从未在半导体设备中实现过，因为在能够转移电子的量子信息之前其量子态就已丢失。」

在这个装置中能成功实现量子态的转移，归功于一个新的回路设计，这个回路在设计时能够让铺设的细微导线与量子比特之间的位置更近从而能够减少来自其他电磁放射源的干涉。为了减少这类噪音，研究员们在通向这个装置的导线中放置了能够过滤掉无关信号的滤波器。这些金属导线同时也充当了量子比特的保护盾。通过这些操作保护，相比于之前的实验，他们的量子比特所接受到的噪音量能够有 100 到 1000 倍的减少。

最终，研究人员计划拓展该设备使其能发挥电子的自旋特性。「长期来看，我们想让这个自旋和电荷耦合在一起的系统能自己造出一个可以电控的自旋量子，」Petta 说。「我们发现我们能讲一个电子与光相干耦合在一起，这是实现自旋光耦合的重要一步。」

德国亚琛工业大学量子信息研究所的一位物理学家 David DiVincenzo 虽然没有参与这项研究，但他在 1996 年参与了一篇非常有影响力的论文，该文概述了创建量子计算机所需的五个最低要求。对于普林斯顿 HRL 的工作，DiVincenzo 虽没有参与，但他说：「为了找到合适的条件组合实现单电子量子比特的强耦合条件，已经花了很多精力了。我很高兴地看到有人发现了一个参数空间的区域，在这个区域中，该系统可首次进入强耦合域。」