布景
在信息飞速传递的今日，你必定无法幻想这样一个国际：人们只能与隔壁邻居攀谈，信息有必要挨家挨户地传递到悠远的意图地。
可是直到今日，硅量子核算机的硬件依然是以这种低速的原始办法传递信息。不过，硅量子核算机却有望比现在的核算机愈加廉价，具有更多功用。
硅量子芯片（图片来自：TU Delft）
立异
近来，美国普林斯顿大学（Princeton University）的团队现已突破了这一约束，演示了两个量子核算元件（所谓的硅“自旋”量子位），即便在核算机芯片上相距较远时，也能够互相沟通。这项研讨宣布在《天然（Nature）》期刊上。
下图为这项的研讨人员，左起：Xanthe Croot、Felix Borjans、Michael Gullans、Jason Petta。
（图片来自：Catherine Zandonella, 研讨主任办公室）
普林斯顿大学物理系教授、这项研讨的领导者杰森·佩塔（Jason Petta）标明：“在硅芯片上跨过这样的距离传递信息的才能，为咱们的量子硬件解锁了新的功用。最终方针是将多个量子位摆放在二维网络中，然后打开愈加杂乱的运算。从长时间来说，这项研讨能够在必定程度上协助提高芯片上以及芯片间量子位的通讯。”
两个相距悠远的硅基量子位器材之间的通讯建立在佩塔研讨团队从前的作业基础上。2010年《科学（Science）》杂志上的一篇论文中，团队标明有可能在量子阱中捕获单电子。在2012年的《天然（Nature）》杂志中，团队报导了将来自纳米线中电子自旋的量子信息传递到微波频率的光子，并在2016年的《科学（Science）》杂志中，展现了将来自硅基电荷量子位的信息传递到光子的才能。在2017年的《科学（Science）》杂志中，他们以展现了量子位中最附近的信息交流。在2018年的《天然（Nature）》杂志上，他们展现了硅自旋量子位可与光子交流信息。
技能
量子核算机有望应对日常核算机所无法应对的应战，例如大数的因式分解。传统二进制核算机存储信息用的是：比特位（0和1）；量子核算机则是经过量子位标明量子信息。简单说，量子位可所以一个双态量子体系（例如：光子偏振态或电子自旋态等）。要害在于，量子位可一起处于“便是0又是1”的状况。
IBM 四个超导量子位设备的布局图（图片来自：IBM研讨院）
经典核算机中的两个比特位，在某一时间，仅能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个。可是，量子核算机中的两个量子位可一起存储这四个数，由于每一个量子位能够一起标明两个值。也便是说，假如咱们要读出这四个数时，只需求读取一次；经典核算机则需求次序履行4次。当量子位持续添加时，体系所存储信息量就会呈指数办法添加。
（图片来自：Tony Melov/UNSW）
为了完成量子核算的许诺，这些未来派的核算机们将需求不计其数个可互相通讯的量子位。现在，谷歌、IBM和其他公司完成的原型量子核算机含有几十个量子位，这些量子位经过触及超导电路的技能制成，可是许多的技能专家以为硅基量子位从长远来看更具远景。
硅自旋量子位相关于超导量子位来说有几项优势。硅自旋量子位比竞赛的量子位技能坚持量子状况更持久。硅在日常核算机中被广泛运用，意味着硅基量子位能以低成本制作。
这种应战部分来源于这样一个现实，即有单电子制成的硅自旋量子位十分小。英特尔公司量子硬件总监詹姆斯·克拉克（James Clarke）的团队正在选用英特尔的先进生产线打造硅量子位，但他并没有参加这项研讨。他标明：“多个量子位之间的布线或者说‘互连’，是朝着大规模量子核算机方针跨进进程中所遭受的最大应战。为了证明自旋量子位可远距离耦合，杰森·佩塔的团队作出了巨大的尽力。”
为此，普林斯顿大学的团队经过一种特别的“线”来衔接量子位。这种“线”能以一种相似将互联网信号传递给家庭的光纤线的办法带着光线。可是，这样的一种情况下，这种线其实便是一个含有单光子的狭隘腔体，从一个量子位接纳信息，并将它转递到下一个量子位。
（图片来自：Felix Borjans）
两个量子位之间相距半厘米，约一粒米的长度。从客观的视点来看，假如每个量子位都像一座房子那么大，那么就能够向大约750英里外的另一个量子位发送音讯。
行进道路上的要害一步便是，经过调谐这三者使它们在相同的频率下振荡，然后找到一种让两个量子位和一个光子说同一种言语的办法。团队成功地独自调谐了两个量子位，一起使它们依然与光子耦合。之前，器材的架构只确保了一次只要一个量子位与光子耦合。
这项研讨的榜首作者、研讨生菲利克斯·博尔扬斯（Felix Borjans）标明：“你有必要使芯片两边的量子位能量与光子能量坚持平衡，以使一切三个元素互相对话。这是这项作业中真实具有应战性的部分。”
每个量子位由软禁在一个称为“双量子点”的微室内的单个电子组成。电子具有一种称为自旋的特性，它能够像指向北或南的罗盘针相同向上或向下指向。经过微波场对电子进行快速改换，研讨人员能够上下旋转自旋，为量子位分配1或0的量子状况。
价值
HRL 实验室的资深科学家、该项意图合作者萨迪斯·拉德（Thaddeus Ladd）标明：“这是初次在远大于包容这些自旋的器材尺度的距离下，演示了硅中羁绊电子的自旋。不久前，由于‘将自旋耦合到微波’与‘防止硅基器材中移动的噪声电荷效应’的需求发生抵触，我们还一度置疑这种办法的可行性。可是，这项作业是关于硅量子位的一个重要的可行性证明，由于它在怎么布线这些量子位以及未来怎么在硅基“量子微芯片”中对它们进行几许布局方面添加了许多灵活性。”
斯坦福大学电气工程学教授伊莱娜·武科维奇（Jelena Vuckovic）（未参加此项研讨）评论道：“演示量子位之间的长途互相作用关于量子技能（例如模块化量子核算机和量子网络）的进一步开展至关重要。杰森·佩塔团队的这项令人振奋的结果是完成这一方针进程中的重要里程碑，由于它证明了由微波光子介导的，距离超越4毫米的两个电子自旋之间的非部分互相作用。此外，为了打造这个电路，该团队选用了硅和锗（半导体工业中很多运用的资料）。”
要害字
自旋、光子、量子、硅
