远距离量子信息交换——纳米级的成功

远距离量子信息交换——纳米级的成功

在哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所，研究人员已经实现了远距离量子点之间电子自旋的交换。这一发现使我们离量子信息的未来应用又近了一步，因为微小的点必须在微芯片上留下足够的空间来放置精密的控制电极。点与点之间的距离现在已经足够大，可以与传统微电子学集成，或许还可以与未来的量子计算机集成。

尺寸在量子信息交换中起着重要作用，甚至在纳米尺度上也是如此。量子信息可以通过电子自旋态存储和交换。电子的电荷可以由闸极电压脉冲控制，而闸极电压脉冲也控制电子的自旋。人们认为这种方法只有在量子点相互接触的情况下才可行;如果挤得太近，自旋的反应就会太剧烈;如果离得太远，自旋的相互作用就会太慢。这就造成了一个两难的境地，因为如果量子计算机想要看到曙光，我们既需要快速的自旋交换，也需要量子点周围有足够的空间来容纳脉冲栅电极。

通常情况下，量子点线性阵列中的左右点距离太远，无法相互交换量子信息。澳大利亚悉尼新南威尔士大学的博士后Frederico Martins解释说:“我们在电子的自旋状态中编码量子信息，电子的自旋状态有一个理想的特性，那就是它们不会与嘈杂的环境产生太多的相互作用，这使得它们可以作为强大而长寿的量子记忆。”但当你想积极地处理量子信息时，缺乏相互作用反而会适得其反——因为现在你想让自旋相互作用!”要做什么吗?你不可能同时拥有长寿的信息和信息交换——至少看起来是这样。“我们发现，通过在左点和右点之间放置一个大而长的量子点，它可以在十亿分之一秒内协调自旋态的相干交换，而不需要将电子移出它们的点。换句话说，我们现在既有快速的相互作用，又有脉冲门电极所需的空间，”尼尔斯玻尔研究所(Niels Bohr Institute)副教授费迪南德•库梅斯(Ferdinand Kuemmeth)表示。

无论是在内部还是外部，协作都是绝对必要的。具有不同专业知识的研究人员之间的合作是成功的关键。内部协作不断提高纳米制造过程的可靠性和低温技术的复杂性。事实上，在量子器件中心，固态量子计算机实现的主要竞争者目前正在进行激烈的研究，即半导体自旋量子比特、超导门量子比特和拓扑马约纳量子比特。

所有这些都是电压控制的量子位元，让研究人员可以分享技巧，一起解决技术难题。但是Kuemmeth很快补充说:“如果我们一开始就不能获得非常干净的半导体晶体，所有这些都将是徒劳的。”材料工程学教授迈克尔•曼弗拉(Michael Manfra)对此表示赞同:“普渡大学在理解导致量子点安静稳定的机制方面做了大量工作。很高兴看到这项工作为哥本哈根的新量子比特带来好处。”

这一发现的理论框架由澳大利亚悉尼大学提供。悉尼大学(University of Sydney)量子物理学教授斯蒂芬•巴特利特(Stephen Bartlett)表示:“作为一名理论家，我对这一结果感到兴奋的是，它让我们摆脱了量子比特只依赖其近邻的几何约束。”他的团队进行了详细的计算，为这一违反直觉的发现提供了量子力学解释。

总之，快速自旋交换的演示不仅是一项了不起的科学和技术成就，而且可能对固态量子计算机的体系结构产生深远的影响。原因在于距离:“如果非相邻量子位元之间的自旋可以控制地交换，这将允许网络的实现，其中增加的量子位元与量子位元的连通性转化为显著增加的计算量子量，”Kuemmeth预测。