突破：在兩個(gè)原子的心臟之間實(shí)現(xiàn)量子糾纏

量子糾纏——曾經(jīng)被阿爾伯特·愛因斯坦斥為“遠(yuǎn)距離的恐怖動(dòng)作”——長(zhǎng)期以來一直吸引著公眾的想象力，甚至讓經(jīng)驗(yàn)豐富的科學(xué)家感到困惑。

但對(duì)于今天的量子從業(yè)者來說，現(xiàn)實(shí)更加平凡：糾纏是粒子之間的一種聯(lián)系，是粒子之間的一種典型特征量子計(jì)算機(jī).

盡管這些設(shè)備仍處于起步階段，但糾纏將使它們能夠完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法做到的事情，例如更好地模擬分子、藥物或催化劑等自然量子系統(tǒng)。

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在今天發(fā)表的新研究中科學(xué)，我和我的同事們已經(jīng)演示了量子糾纏在相距約 20 納米的兩個(gè)原子核之間。

這可能看起來并不多。但我們使用的方法是一項(xiàng)實(shí)用的概念突破，可能有助于使用最精確、最可靠的量子信息存儲(chǔ)系統(tǒng)之一來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。

平衡控制與噪音

面臨的挑戰(zhàn)量子計(jì)算機(jī)工程師需要平衡兩個(gè)對(duì)立的需求。

脆弱的計(jì)算元件必須屏蔽外部干擾和噪聲。但與此同時(shí)，必須有一種方法可以與它們交互以進(jìn)行有意義的計(jì)算。

這就是為什么有這么多不同類型的硬件仍在爭(zhēng)奪第一臺(tái)運(yùn)行量子計(jì)算機(jī)的原因。

有些類型非常適合執(zhí)行快速作，但會(huì)受到噪音的影響。其他的則很好地屏蔽了噪音，但難以作和擴(kuò)大規(guī)模。

讓原子核相互通信

我的團(tuán)隊(duì)一直在研究一個(gè)平臺(tái)——直到今天——可以放在第二個(gè)營(yíng)地。我們?cè)诠栊酒兄踩肓肆自?，并使?a>原子核的自旋對(duì)量子信息進(jìn)行編碼。

為了構(gòu)建一臺(tái)有用的量子計(jì)算機(jī)，我們需要同時(shí)處理許多原子核。但到目前為止，處理多個(gè)原子核的唯一方法是將它們放置在固體中非?？拷?，在那里它們可以被單個(gè)電子包圍。

我們通常認(rèn)為電子遠(yuǎn)小于原子核。然而，量子物理學(xué)告訴我們，它可以在空間中“擴(kuò)散”，因此它可以同時(shí)與多個(gè)原子核相互作用。

即便如此，單個(gè)電子可以傳播的范圍還是相當(dāng)有限的。此外，向同一電子添加更多原子核使得單獨(dú)控制每個(gè)原子核變得非常具有挑戰(zhàn)性。

糾纏遠(yuǎn)程核的電子“電話”

可以說，到目前為止，原子核就像人被放置在隔音室里一樣。他們只要都在同一個(gè)房間里，就可以互相交談，而且對(duì)話真的很清楚。

但他們聽不到外面的任何聲音，房間里能容納的人也只有這么多人。因此，這種對(duì)話模式無法擴(kuò)大。

在我們的新作品中，就好像我們給了人們電話，讓他們與其他房間進(jìn)行通信。每個(gè)房間的內(nèi)部仍然漂亮而安靜，但現(xiàn)在我們可以在更多的人之間進(jìn)行對(duì)話，即使他們距離很遠(yuǎn)。

“電話”是電子。由于它們?cè)诳臻g中擴(kuò)散的能力，兩個(gè)電子可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離內(nèi)相互“接觸”。

如果每個(gè)電子直接耦合到原子核，原子核就可以通過電子之間的相互作用進(jìn)行通信。

我們使用電子通道通過一種稱為“幾何門”的方法在原子核之間產(chǎn)生量子糾纏，我們使用了這種方法幾年前對(duì)硅中的原子進(jìn)行高精度量子運(yùn)算。

現(xiàn)在，我們首次在硅中證明了這種方法可以擴(kuò)展到連接到同一電子的原子核對(duì)之外。

與集成電路配合

在我們的實(shí)驗(yàn)中，磷核相隔 20 納米。如果這看起來仍然很小的距離，那就是：兩個(gè)磷原子之間的硅原子不到 40 個(gè)。

但這也是日常硅晶體管的制造規(guī)模。在 20 納米尺度上創(chuàng)建量子糾纏意味著我們可以將壽命長(zhǎng)、屏蔽良好的核自旋量子比特集成到標(biāo)準(zhǔn)硅芯片的現(xiàn)有架構(gòu)中，例如我們的手機(jī)和計(jì)算機(jī)中的芯片。

未來，我們?cè)O(shè)想進(jìn)一步推動(dòng)糾纏距離，因?yàn)殡娮涌梢晕锢硪苿?dòng)或擠壓成更細(xì)長(zhǎng)的形狀。

我們的最新突破意味著基于電子的量子器件的進(jìn)展可以應(yīng)用于使用長(zhǎng)壽命核自旋來執(zhí)行可靠計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建。

安德里亞·莫雷洛，量子納米系統(tǒng)教授，新南威爾士大學(xué)悉尼分校

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