该研究 发表 在Nature杂志上，由普林斯顿大学的研究人员与德国康斯坦茨大学的同事和联合量子研究所合作领导，该研究所是马里兰大学和国家标准与技术研究所的合作伙伴。 。

该团队利用被称为双量子点的硅腔中的单个电子创建了量子比特。通过施加磁场，他们表明他们可以将称为自旋的电子特性编码的量子信息传递给光子或光子粒子，从而打开传输量子信息的可能性。

普林斯顿大学物理学教授 杰森佩塔说：“这是硅自旋量子比特的突破年 。” “这项工作将我们的努力扩展到一个全新的方向，因为它将你带出一个二维景观生活，在那里你只能做最近邻的耦合，进入一个全面连通的世界，”他说过。“这为我们制造设备的方式创造了灵活性。”

量子器件提供了当今计算机无法实现的计算可能性，例如分解大量数据和模拟化学反应。与传统计算机不同，这些设备根据控制非常小的结构(如单原子和亚原子粒子)的量子力学定律运行。主要技术公司已经在建立基于超导量子比特和其他方法的量子计算机。

康斯坦茨大学物理学教授Guido Burkard说：“这一结果为按照半导体产业的配方提供了扩展到更复杂系统的途径。”他与博士后研究员MónicaBenito合作提供了理论方面的指导。 。“这就是愿景，这是非常重要的一步。”

雅各布·泰勒(Jacob Taylor)是该团队的成员，也是联合量子研究所(Joint Quantum Institute)的研究员，他将这种光线比作可以连接自旋量子比特的导线。“如果你想用这些被困电子制造量子计算设备，你如何在芯片上发送信息?你需要量子计算相当于电线。“

硅自旋量子比竞争量子比特技术更具弹性，可以解决外部干扰，如热量和振动，从而破坏固有脆弱的量子态。读出量子计算结果的简单行为可以破坏量子态，这种现象被称为“量子爆破”。

研究人员推测，目前的方法可以避免这个问题，因为它使用光来探测量子系统的状态。Light已经被用作通过光缆将电缆和互联网信号带入家庭的信使，它也被用于连接超导量子比特系统，但这是硅自旋量子比特中的首批应用之一。

在这些量子比特中，信息由电子的自旋表示，可以指向上或向下。例如，向上旋转可以表示0，向下旋转可以表示1.相反，传统计算机使用电子电荷来编码信息。

连接基于硅的量子比特，以便它们可以相互通信而不会破坏它们的信息，这对该领域来说是一个挑战。虽然 普林斯顿领导的团队成功地将两个相邻的电子自旋耦合 了仅100纳米(100亿分之一米)，正如2017年12月的“科学”杂志所公布的那样，将自旋与光耦合，这将实现长距离自旋自旋耦合，直到现在仍然是一个挑战。

在当前的研究中，该团队通过将量子比特的信息(即，自旋指向上或下)耦合到光子或光子的粒子来解决长距离通信的问题，光子被困在腔室中的量子位上方。光子的波浪状特性允许它像量子波动一样在量子比特上方振荡。

研究生肖密及其同事想出了如何将有关旋转方向的信息与光子联系起来，以便光可以从量子比特中获取信息，例如“旋转点”。“单个旋转与单个光子的强耦合是一项非常困难的任务，类似于精心编排的舞蹈，”Mi说。“参与者之间的互动 - 旋转，充电和光子 - 需要精确设计并保护其免受环境噪音的影响，直到现在还不可能。”普林斯顿大学的团队包括博士后研究员Stefan Putz和研究生David Zajac。

通过利用光的电磁波特性，可以实现这一进步。光由振荡的电场和磁场组成，研究人员成功地将光的电场耦合到电子的自旋状态。

研究人员通过建立于2016年12月发表在“科学”杂志上的团队发现， 证明了单个电子电荷和单个光子粒子之间的耦合。

为了诱导量子比特将其自旋状态传输到光子，研究人员将电子自旋置于大磁场梯度中，使得电子自旋具有不同的取向，这取决于它占据的量子点的哪一侧。磁场梯度与该组在2016年展示的电荷耦合相结合，将量子比特的自旋方向与光子的电场耦合。

理想情况下，光子然后将信息传递到位于腔室内的另一个量子位。另一种可能性是光子的消息可以通过电线传送到读出消息的设备。研究人员正在研究这一过程中的后续步骤。

Petta说，在制造硅基量子计算机之前，仍然需要几个步骤。日常计算机处理数十亿比特，虽然量子比特在计算上更强大，但大多数专家都同意需要50或更多的量子比特来实现量子至上，量子计算机将开始超越它们的经典对应物。

瑞士巴塞尔大学物理学教授Daniel Loss熟悉这项工作，但没有直接参与，他说：“Petta教授和合作者的工作是最近旋转量子比特领域最激动人心的突破之一。年份。我一直关注杰森的工作多年，我对他为这个领域设定的标准给我留下了深刻的印象，并且这个最新的实验再一次出现在自然界。这是建立真正强大的量子计算机的一个重要里程碑，因为它开辟了在平方英寸芯片上塞满数亿个量子比特的途径。这些都是该领域非常令人兴奋的发展 - 甚至更远。“