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编译 | 白菜叶
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——即使是数十亿年——但前提是它们拥有许多被称为量子比特的组件。现在，科学家们已经在一个芯片上制造了超过 150,000 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。
经典计算机打开或关闭晶体管以将数据表示为 1 或 0。相比之下，量子计算机使用量子比特，也称为量子比特。由于量子物理学的超现实性，量子比特可以存在于一种称为叠加的状态中，在这种状态下它们基本上同时为 1 和 0。这种现象让每个量子位同时执行两个计算。在量子计算机中，量子机械连接或纠缠的量子比特越多，其计算能力就可以以指数方式增长。
目前，量子计算机是嘈杂的中等规模量子 (NISQ) 平台，这意味着它们的量子比特数最多可达几百个。为了证明对实际应用有用，未来的量子计算机可能需要数千个量子位来帮助补偿错误。
有许多不同类型的量子比特正在开发中，例如超导电路、电磁俘获离子，甚至是冷冻氖。最近科学家们发现，在硅中制造的所谓自旋量子比特可能对量子计算特别有前景。
「硅自旋是自然界中最好的天然量子比特之一。」该研究的共同通讯作者、加拿大西蒙菲莎大学（Simon Fraser University）的量子工程师 Stephanie Simmons 说。
自旋量子比特中的「自旋」是粒子（例如电子或原子核）的角动量。旋转可以向上或向下指向，类似于指向北或南的指南针。自旋量子比特可以存在于一个叠加态中，它同时被双向定向。
硅自旋量子位是迄今为止创造的最稳定的量子位之一。此外，在开发全球半导体行业数十年的工作支持下，这项技术理论上可以迅速扩大规模。
到目前为止，科学家们只在硅中测量了单自旋。这反过来意味着将自旋纠缠在一起的唯一方法是电磁，「这必须通过彼此非常接近的量子比特来完成。」Simmons 说，「从工程的角度来看，这很难扩展。」
现在，研究人员第一次在硅中的量子比特中光学检测到单自旋。这种对自旋量子比特的光学访问表明，有朝一日可能有可能使用光「让量子比特在芯片上相互纠缠，或者像它们并排一样轻松地穿过数据中心。」Simmons 说。
新的自旋量子比特基于辐射损伤中心——使用离子注入或高能电子辐照产生的硅内部缺陷。具体来说，它们是 T 中心，每个中心由两个碳原子、一个氢原子和一个不成对电子组成。
每个 T 中心都有一个不成对的电子自旋和一个氢核自旋，每一个都可以作为一个量子比特。电子自旋可以保持一致或稳定超过 2 毫秒；氢核自旋可以保持这种状态超过 1.1 秒。「我们的硅自旋量子比特的长寿命已经很有竞争力，我们对如何将它们推得更远有想法。」Simmons 说。
研究人员在商业工业标准绝缘体上硅集成光子晶片上打印了 150,000 个被称为「微型圆盘」的点。西蒙菲莎大学的 Daniel Higginbottom 说，每个微型圆盘的宽度从 0.5 到 2.2 微米不等，平均拥有一个 T 中心。
在磁场作用下，每个 T 中心的自旋量子比特态具有略微不同的能量，并且各自发射不同波长的光。这让科学家们可以在这些 T 中心光学检测每个自旋量子比特的状态。
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经常使用的那种光来与其他量子位连接，帮助量子位在量子处理器内协同工作，并帮助量子计算机在量子互联网上合作。
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，「没有其他物理量子系统能够将高性能量子存储器、与电信光子的直接和强大链接以及硅的商业前景结合起来，硅是现代微电子学和集成光子学的世界顶级平台。」
自 1970 年代以来，科学家们就知道 T 中心。「我们不知道为什么我们是第一个开始研究 T 中心作为硅中的量子比特的。」Simmons 说，「研究人员有可能认为，硅中的候选自旋光子量子比特不太可能与其他材料（如金刚石和碳化硅）中的候选者竞争。这对我们来说是个谜。」
总而言之，「我们对这些量子比特的基本可扩展性感到非常兴奋。」Simmons 说，「这是国际量子计算机竞赛的新成员，我们认为前景非常光明。」
尽管研究人员在这项新研究中制造了许多量子比特，但「这些尚未连接到工作的量子计算机中。」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更容易，但这项技术还很年轻，还有很多工作要做。」
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y
相关报道：https://spectrum.ieee.org/silicon-spin-qubits
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