量子電腦重大突破：由矽製成的量子可控反閘！

導讀

美國普林斯頓大學科研人員領導的團隊在採用日常材料製造量子電腦的方面取得重要進展。 他們製造出由矽製成的關鍵硬體， 以極高的精准度控制兩個電子之間的量子行為。

背景

比起實現量子電腦的其他現有技術， 矽基設備很可能是廉價而且容易製造的。 儘管其他研究小組和公司已經宣佈製造出具有50個甚至更多量子位元的量子計算設備， 但是這些系統需要超常的材料， 例如超導體或者通過鐳射照射處於適當位置的帶電原子。

例如前不久筆者剛介紹過的， 美國哈佛大學和麻省理工學院的科研團隊開發出一種特殊的量子電腦，

也稱為量子模擬器， 用於操作物質的量子位。 它可以通過鐳射捕獲超冷的銣原子， 控制51個原子或量子位之間的交互， 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。

量子電腦可以解決傳統電腦無法解決的問題。 這些設備能將極大的數位分解為因數， 或者找到複雜問題的更優解決方案。 它們也可以説明研究人員理解極小粒子的物理特性， 例如原子和分子， 為材料科學和藥物研發領域帶來新進展。

之所以量子電腦卻可以勝任非常複雜的計算任務， 是因為它擁有“量子位”。 普通的經典二進位電腦存儲資訊用的是：比特位（0和1）。 而量子電腦則是通過量子位元表示量子資訊。

簡單說， 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等）。 而關鍵在於， 量子位可能同時處於“即是0和又是1”的狀態。

創新

美國普林斯頓大學科研人員領導的團隊在採用日常材料製造量子電腦的方面取得重要進展。 他們製造出由矽製成的關鍵硬體， 以極高的精准度控制兩個電子之間的量子行為。 研究發表於12月7日的《科學》雜誌。

技術

團隊通過一種讓電子作為量子資訊比特或者量子位元的方式， 構建出一種門控制電子之間的交互。 這對於量子計算來說很有必要。 這種幾乎無錯的、兩個量子位的門， 是通過矽材料構建出更加複雜的量子計算設備方面的早期重要進展，

目前矽材料已廣泛應用于傳統的電腦和智慧手機。

普林斯頓大學物理系教授 Jason Petta 表示， 矽基技術未來將在擴展和構建量子電腦方面起到作用， 所以我們需要讓這個實驗成功。 創造出兩個量子位的高保真門將為更大規模的實驗打開方便之門。

構建量子電腦需要研究人員創造出量子位或者高保真地將它們相互配對。 矽基量子設備使用電子的量子特性：“自旋”， 編碼資訊。 自旋能以一種類似于磁場南北極的方式指向上方或者下方。 相對來說， 傳統電腦是通過操控電子的負電荷進行工作的。

實現基於自旋的高性能設備一直受到自旋狀態脆弱性的限制， 它們很容易地朝上或者朝下快速翻轉， 反之亦然， 除非它們處於一個非常純淨的環境中，

與外界隔絕開來。 通過普林斯頓大學量子設備納米製造實驗構建的矽量子設備， 研究人員能夠保持自旋相干， 也就是說在相對較長時間中， 保持它們的量子狀態。

研究人員為了構造兩個量子位的門， 在高度有序的矽晶體上， 分層放置微小的鋁線。 這些線提供可以囚禁兩個單獨電子的電壓， 而電子則通過能障隔開， 形成像井一樣的結構， 成為雙量子點。

通過臨時降低能障， 研究人員讓電子分享量子資訊， 創造出特殊的量子狀態， 稱為“糾纏”。 這些囚禁和糾纏的電子現已可作為量子位使用。

普林斯頓大學物理系的研究生、論文的首作者 David Zajac 表示， 挑戰在於構建小到足夠囚禁和控制單個電子的結構，

而又不會破壞它們漫長的存儲時間。 這項研究首次展示了矽中兩個電子自旋之間的糾纏， 矽是一種為電子自旋狀態提供最乾淨的一種環境的材料。 研究人員演示他們能夠採用第一個量子位控制第二個量子位元， 這意味著該結構作為一種可控反閘 （CNOT）， 它是普通使用的計算機電子器件的量子版本。 研究人員通過施加磁場， 控制第一個量子位的行為。 這個門製造出基於第一個量子位元狀態的結果：如果第一個自旋指向上方， 第二量子位的自旋將快速翻轉；但是如果第一個自旋指向下方， 第二個量子位將不會翻轉。

Petta 表示， 基本上說， 如果其他粒子處於特定配置中， 這個門將只會對一個粒子起作用， 對於一個粒子產生什麼作用取決於其他粒子。

價值

研究人員展示了他們可以保持電子自旋的量子態，保真度超過99%。而門的工作依賴於約75%的時間翻轉第二個量子位。據研究人員稱，這項技術將有極大潛能擴展至更多量子位，並且具有更低的錯誤率。

加利福尼亞大學洛杉磯分校物理與天文學教授 HongWen Jiang 表示，這項研究代表了在演示CNOT門（矽基量子位中，它是量子計算的基礎模組）的全球競賽中，兩個量子位元操作的錯誤率具有明確的標準。這個難度非同尋常的實驗讓人印象深刻，因為它需要複雜的設備製造技術和精准地控制量子狀態，而卻在只有幾個研究人員組成的大學實驗室中完成了。

關鍵字

量子、量子電腦、量子位元、矽

參考資料

【1】https://www.princeton.edu/news/2017/12/11/new-silicon-structure-opens-gate-quantum-computers

【2】“Resonantly driven CNOT gate for electron spins,” by David M. Zajac, Anthony J. Sigillito, Maximilian Russ, Felix Borjans, Jacob M. Taylor, Guido Burkard and Jason R. Petta was published online in the journal Science on Dec. 7, 2017. http://dx.doi.org/10.1126/science.aao5965

更多前沿技術和創新產品，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984

價值

研究人員展示了他們可以保持電子自旋的量子態，保真度超過99%。而門的工作依賴於約75%的時間翻轉第二個量子位。據研究人員稱，這項技術將有極大潛能擴展至更多量子位，並且具有更低的錯誤率。

加利福尼亞大學洛杉磯分校物理與天文學教授 HongWen Jiang 表示，這項研究代表了在演示CNOT門（矽基量子位中，它是量子計算的基礎模組）的全球競賽中，兩個量子位元操作的錯誤率具有明確的標準。這個難度非同尋常的實驗讓人印象深刻，因為它需要複雜的設備製造技術和精准地控制量子狀態，而卻在只有幾個研究人員組成的大學實驗室中完成了。

關鍵字

量子、量子電腦、量子位元、矽

參考資料

【1】https://www.princeton.edu/news/2017/12/11/new-silicon-structure-opens-gate-quantum-computers

【2】“Resonantly driven CNOT gate for electron spins,” by David M. Zajac, Anthony J. Sigillito, Maximilian Russ, Felix Borjans, Jacob M. Taylor, Guido Burkard and Jason R. Petta was published online in the journal Science on Dec. 7, 2017. http://dx.doi.org/10.1126/science.aao5965

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