本次研究首次在硅量子比特（图中方框部分）之间建立了长距离通讯。图片来源：Felix Borjans, Princeton University
为了建造更高效的量子计算机，让数量众多、相距一定距离的量子比特相互连接非常关键。普林斯顿大学的一项研究朝着这个目标迈出了重要一步，在两个相距 4 毫米的硅量子比特之间建立连接，首次实现了量子尺度下的长距离通讯。相关论文于 12 月 25 日在《自然》发表。
撰文 王曌
编辑 戚译引
来源 科研圈（ID：keyanquan）
在信息网络技术发达的今天，你肯定无法想象一个信息只能挨家挨户面对面传递的世界。但是直到今天，硅量子计算机硬件中的信息传递仍是以这种“原始”的方式进行的。最近，普林斯顿大学的一个研究团队打破了这种限制，在两个相距 4 毫米的硅自旋量子比特之间建立了长程通信。相关研究成果于 12 月 25 日发表在《自然》（Nature）上。
普林斯顿大学物理学教授、该项研究负责人杰森·皮塔（Jason Petta）表示：“实现硅自旋量子比特的长程通信将解锁量子硬件的新功能。我们的终极目标是设计出二维的硅自旋量子比特阵列，使硅量子计算机具备执行更复杂计算的能力。并且，如果从长远来看，这项研究不仅可改善单块芯片上量子比特的通信，还可用于不同芯片之间量子比特的通信。”
硅自旋量子比特 vs 超导量子比特
量子计算机拥有远超经典计算机的计算潜力，这是因为经典计算机中的最小信息量单位——比特（bit）只能表示 0 或者 1，而量子计算机的最小信息量单位——量子比特（qubit）却可以同时表示 0 到 1 之间的一系列数值。
如何让更多的量子比特更高效地协同工作，是量子计算机发展的重要课题。量子比特的数量决定了量子计算机可存储、处理的信息量。目前谷歌、IBM 和其他公司的量子计算机原型机已经包含数十个量子比特，这些量子比特大多是超导量子比特。例如今年 10 月谷歌宣布实现量子优越性时，他们使用的量子计算机就包含 53 个超导量子比特。
但是，真正实现量子计算需要几万个可以相互通信的量子比特，因此量子计算机的发展还有很长的路要走。如果能在微小的芯片上排布更多的量子比特，无疑会大大提升量子计算机可存储、处理的信息量。
在这项研究中，普林斯顿团队使用了另一种技术——硅自旋量子比特。硅量子比特的尺寸远小于超导量子比特，考虑密集排列时，硅自旋量子比特会是更好的选择。尽管目前硅自旋量子比特技术尚不如超导量子比特成熟，但从长远来看，许多技术专家认为硅自旋量子比特会更具前景。因为硅早已经在日常计算机中广泛使用，制造硅自旋量子比特的成本较低，并且在业界几十年硅材料大规模集成电路制造经验的加持下，硅自旋量子比特在维持量子态方面的潜力更强。
但是硅自旋量子比特技术本身也面临着一些挑战：一方面，硅自旋量子比特仅由单个电子构成，整体尺寸极小，制造难度很大；另一方面，多个硅自旋量子比特之间的高效通信问题也是亟待解决的难点。
给量子比特接上“电话线”
硅自旋量子比特可以被看作是硅基器件上的一间小房子，里面困着一颗电子。电子具有一种称为自旋的特性，可以像指南针一样指向北方或南方。使用微波轰击电子，就可以翻转电子的自旋状态，从而给量子比特分配 1 或 0 的量子态。
要想让量子计算机执行复杂的计算，就需要让多个量子比特协同工作。如果量子比特之间的通信依然停留在两个邻近的量子比特“面对面”传递信息的程度，可想而知，量子计算机的计算能力会受到很大的限制。要打破这种限制，就需要在芯片上任意两个量子比特之间建立长程通信。
为了解决这个问题，皮塔团队将两个量子比特用一根“导线”连接起来。这种导线类似于可传递光子的家用光纤，但它足够纤细，一次只能传递一个光子。耦合了其中一个量子比特电子自旋信息的光子就可以通过导线被传递到另一个量子比特。
在两个硅自旋量子比特之间建立长程通信的另一个关键，是确保发送信号的量子比特、传递信号的光子以及接收信号的量子比特三者具有相同的振动频率，让它们“说”出同一种语言。在此之前，皮塔团队曾在同样的设备上分别开展过由量子比特向光子发送信号和让量子比特接收光子信息的实验，此次他们成功将二者结合起来，在两个硅自旋量子比特之间建立了长程通信。这项研究的第一作者、研究生费利克斯·博詹斯（Felix Borjans）说：“只有平衡芯片两边的量子比特的能量以及光子能量，才能使三者具有相同的振动频率。这是工作中真正具有挑战性的部分。”
通过这种方式，皮塔团队成功地在两个相距 4 mm 的硅量子比特之间建立了长程通信。这个距离大约相当于一粒米的长度，却比量子比特的尺度高出了几个数量级。如果假设每个量子比特有一间房子那么大，那么这个实验就相当于在两间相距1200公里的房子之间建立通信。
让量子世界相互连接
“研究第一次在远大于量子比特尺寸的间距下展示了硅电子自旋的量子纠缠，” HRL 实验室的资深科学家、该项目的合作者萨迪斯·拉德（Thaddeus Ladd）说，“由于将量子比特的电子自旋信息耦合到微波光子的同时会在硅基器件表面产生电噪声，不久以前大家还一度怀疑这种方法的可行性。但是，毫无疑问地，这项工作将使大家更加灵活地开展研究，探索多量子比特之间的布线，以及硅基量子微芯片的布局。”
这项研究也得到了同行的高度评价。英特尔（Intel）集团的量子硬件主管詹姆斯·克拉克（James Clarke）一直带领他的团队生产硅自旋量子比特，他认为：“多个量子比特之间的布线或‘互联’是大型量子计算机面临的最大挑战。”克拉克并未参与皮塔等人的研究，他评论道“在证明硅自旋量子比特可进行远距离耦合方面，皮塔团队的工作是一次很伟大的进展。”
斯坦福大学的电气工程学教授伊莱娜·瓦科维奇 （Jelena Vuckovic）认为皮塔团队的研究成果是量子比特长程通信技术发展道路上的里程碑，她评论道：“皮塔团队使用已在半导体行业中大量应用的硅、锗材料证明，两个相距 4 mm 的量子比特可在光子的介导下发生非局部相互作用。而建立量子比特之间的长程通信对进一步发展模块化量子计算机、量子计算机网络等技术至关重要。”
总而言之，量子比特之间的长程通信是先进量子信息技术的标志。在远大于量子比特尺寸的距离上传递量子状态信息、产生量子纠缠不仅可以增加量子微芯片上各个量子比特之间的互联，还可以在任意两个量子比特之间构建逻辑门。随着量子比特长程通信技术的发展，将来的量子计算机能同时存储和处理更多信息，这种并行能力的提升可以解决经典计算机的“算力”所不能及的问题，影响人类社会的方方面面。
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