一块硅芯片打造15万量子比特？

SIMON FRASER UNIVERSITY

量子计算机理论上可以解决任何经典计算机都无法解决的问题，但前提是它们拥有许多被称为量子比特的部分。现在，科学家已经在一个芯片上制造了超过15万个硅基量子比特，它们可能能够与光连接在一起，以帮助形成通过量子互联网连接的强大量子计算机。

我们知道，经典计算机通过打开或关闭晶体管来将数据表示为 1 或 0。相比之下，量子计算机使用量子比特。并且，由于量子物理学的超现实属性，量子比特可以在叠加态中存在，在这种状态中它们基本上同时表示为 1 和 0。这种现象让每个量子比特同时执行两次计算。在量子计算机中，连接或纠缠的量子比特越多，计算能力就会以指数方式增加。

目前，量子计算机是嘈杂中型量子（noisy intermediate-scale quantum, NISQ）平台，这意味着它们的量子比特数最多可达几百个。但为了证明对实际应用的效用，未来的量子计算机可能需要数千个量子比特来帮助抵消误差。

与此同时，很多不同类型的量子比特正在开发之中，如超导电路、电磁俘获离子和冷冻氖。在这项研究中，研究者发现用硅制造的自旋量子比特可能在量子计算领域具有很好的发展前景。

“硅自旋是自然界最优秀的自然量子位之一，”研究报告作者Stephanie Simmons说，她是加拿大不列颠哥伦比亚省西蒙菲莎大学的量子工程师。

自旋量子位中的“自旋”是粒子（如电子或原子核）的角动量。自旋可以向上或向下指向，就像指南针指向北方或南方一样。自旋量子位可以存在于叠加中，在叠加中它同时向两个方向定向。

硅自旋量子比特是迄今为止最稳定的量子比特之一。此外，在全球半导体行业数十年发展工作的支持下，这项技术理论上可以迅速扩大规模。

“截至目前，科学家们只在硅电子中测量了单自旋。这反过来意味着将自旋纠缠在一起的唯一方式是电磁，而这这必须通过彼此非常接近的量子比特来完成，”Simmons表示，“从工程角度来看很难扩展。”

现在，研究人员首次在硅的量子位中通过光学方式检测到单自旋。Simmons 认为，这种对自旋量子位的光学访问表明，有朝一日可能会利用光“让量子位在芯片上或数据中心上相互纠缠，就像它们并排在一起一样容易”。

新的自旋量子比特基于辐射损伤中心（radiation damage centers），也即使用离子注入或高能电子辐射产生的硅内部缺陷。具体而言，它们可以被称为 T 中心（T centers），每个都由两个碳原子、一个氢原子和一个不成对电子组成。

每个T中心都有一个未配对的电子自旋和一个氢原子核自旋，每个都可以作为量子位。电子自旋可以保持相干或稳定超过2毫秒；氢原子的核自旋可以保持1.1秒以上。Simmons说：“我们的硅自旋量子比特的长寿命已经相当有竞争力，我们有办法把它们推向更远的地方。”

研究人员在商业行业标准绝缘体上硅集成光子晶片上印制了150000个被称为“微圆盘（micropucks）”的点。西蒙菲莎大学的研究主要作者Daniel Higginbottom说，每个微圆盘的宽度从0.5到2.2微米不等，它们平均都拥有一个 T 中心。

在磁场下，每个T中心的自旋量子位态的能量稍有不同，每个都发射不同波长的光。这使科学家能够在这些T中心光学检测每个自旋量子位的状态。

这些自旋量子位发射的波长位于近红外O波段。这意味着这些自旋量子位可以通过发射电信网络中常用的那种光与其他量子位连接，帮助量子位在量子处理器内协同工作，并帮助量子计算机通过量子互联网进行合作。

此外，“电子和核自旋量子比特可以一起操作——核自旋作为长寿命记忆量子比特，电子自旋作为光耦合通信量子比特，并且可以使用微波场在它们之间交换信息，”Simmons说，“没有任何其他物理量子系统将提高西能量子存储器、与电信光子的直接和牢固联系以及硅的商业前景结合在一起，硅是现代微电子和集成光子学的世界顶级平台。”

自20世纪70年代以来，科学家就知道了T中心。Simmons说，“研究人员可能认为硅中的候选自旋光子量子位不太可能与金刚石和碳化硅等其他材料中的候选自旋光子量子位竞争。这对我们来说是个谜。”

总之，“我们对这些量子位的基本可扩展性感到最兴奋，”Simmons说，“这是量子计算机国际竞赛的新参与者，我们认为前景非常光明。”

虽然研究人员在这项新的研究中制造了许多量子比特，“这些还没有连接到一台工作的量子计算机上，”Simmons警告说，“对这些自旋的光学访问将使这种布线比许多其他方法容易得多，但这项技术仍然很年轻，还有很多工作要做。”

科学家们在6月13日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。