在量子计算的飞跃中，硅量子位建立了长距离关系

想象一下一个世界，那里的人们只能与隔壁的邻居交谈，并且必须挨家挨户传递消息才能到达较远的目的地。

到现在为止，构成硅量子计算机的硬件的情况一直是这种情况，硅量子计算机是一种类型的量子计算机，与今天的版本相比，其价格可能更便宜且用途更多。

现在，普林斯顿大学的一个团队克服了这一局限，并证明了两个量子计算组件，即硅“自旋”量子位，即使在计算机芯片上相距较远时也可以相互作用。该研究发表在《自然》杂志上。

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授，这项研究的负责人杰森·皮塔说：“在硅芯片上跨此距离传输消息的能力为我们的量子硬件带来了新的功能。” “最终目标是将多个量子位排列在二维网格中，从而可以执行更复杂的计算。这项研究应长期帮助改善芯片上以及从一个芯片到另一个芯片的量子位通信。 ”

量子计算机具有解决日常计算机功能之外的挑战的潜力，例如分解大量数据。量子位或qubit可以比日常计算机位处理更多的信息，因为每个经典计算机位可以具有0或1的值，而量子位可以同时表示0到1之间的值范围。

为了实现量子计算的承诺，这些未来派计算机将需要成千上万个可以相互通信的量子比特。如今，来自Google，IBM和其他公司的原型量子计算机包含数十种量子比特，这些量子比特是由涉及超导电路的技术制成的，但是从长远来看，许多技术专家认为基于硅的量子比特更有希望。

硅自旋量子位比超导量子位具有多个优势。硅自旋量子位比竞争性量子位技术保留更长的量子态。硅在日常计算机中的广泛使用意味着可以以低成本制造硅基量子比特。

挑战部分源于硅自旋量子位由单个电子构成且非常小的事实。

英特尔量子硬件主管詹姆斯·克拉克说：“多个量子位之间的布线或’互连’是大规模量子计算机面临的最大挑战。”参与研究。 “杰森·佩塔（Jason Petta）的团队在证明自旋量子位可以长距离耦合方面做出了巨大的努力。”

为了实现这一目标，普林斯顿大学的研究小组通过一根“电线”连接了量子比特，“电线”以类似于将互联网信号传送到家庭的光纤电线的方式来承载光。但是，在这种情况下，导线实际上是一个狭窄的空腔，其中包含单个光或光子粒子，它从一个量子位中提取消息并将其传输到下一个量子位。

两个量子位相距约半厘米，或约一米粒的长度。从角度来看，如果每个量子位都等于一所房子的大小，那么该量子位就可以向位于750英里之外的另一个量子位发送消息。

向前迈出的关键一步是找到一种方法，通过调谐所有三个量子比特和光子以相同的频率振动，从而使它们能说相同的语言。该团队成功地彼此独立地调谐了两个量子位，同时仍将它们耦合到光子。以前，该设备的体系结构一次只能将一个量子比特耦合到光子。

这项研究的第一作者，研究生菲利克斯·博尔扬斯（Felix Borjans）说：“必须使芯片两侧的量子位能量与光子能量保持平衡，以使所有三个元素彼此对话。” “这是工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子位由捕获在一个称为双量子点的微小室内的单个电子组成。电子具有一种称为自旋的特性，可以像指向北或南的罗盘针一样向上或向下指向。通过用微波场对电子进行拍打，研究人员可以上下旋转自旋，以为量子位分配1或0的量子态。

HRL实验室的高级科学家，该项目的合作者Thaddeus Ladd说：“这是硅中自旋纠缠电子自旋的第一个例证，该电子自旋的距离比容纳自旋的器件大得多。 “不久前，由于将自旋耦合到微波并避免了硅基器件中的噪声电荷移动的冲突要求，人们怀疑这是否可能实现。这是一个重要的可能性证明硅量子位，因为它在如何布线这些量子位以及如何在未来的基于硅的“量子微芯片”中进行几何布局方面增加了极大的灵活性。”

两个遥远的基于硅的量子位设备之间的通信建立在Petta研究团队先前的工作基础上。在2010年《科学》杂志的一篇论文中，研究小组表明有可能在量子阱中捕获单电子。该团队在2012年的《自然》杂志上报道了量子信息从纳米线中的电子自旋到微波频率光子的转移，并且在2016年的《科学》杂志中，他们展示了将信息从硅基电荷量子位传递到光子的能力。他们在2017年的《科学》杂志中以qubits展示了最近邻信息交易。该团队在2018年的《自然》杂志上展示了硅自旋量子位可以与光子交换信息。

斯坦福大学电气工程学教授Jelena Vuckovic和全球领导力的Jensen Huang教授（未参与此项研究）评论说：“演示量子位之间的远程相互作用对于量子技术（例如模块化量子）的进一步发展至关重要。杰森·佩塔（Jason Petta）小组的这项令人振奋的结果是朝着这一目标迈出的重要里程碑，因为它证明了由微波光子介导的，间隔超过4毫米的两个电子自旋之间的非局部相互作用。在电路中，该团队采用了硅和锗-半导体工业中大量使用的材料。”