近日，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队展示了在硅量子芯片中，电子自旋的量子信息可以传送至光子。对付超过芯片连接量子位和增加量子位数量来说，这项研究非常主要。
背景
量子打算机凭借“叠加”和“纠缠”这两个“幽灵般”量子物理事理，展示出巨大的并行打算能力，远远领先经典打算机。理论上说，量子打算机能够非常快速地办理天下上最强大的经典打算机经由漫永劫光才能办理的繁芜打算问题。
量子打算机是如何达到如此强大的打算能力的呢？笔者在之前的文章中为大家先容过，本日让我们再回顾一下。
不同于经典打算机存储信息所采取的比特位（0或1），量子打算机表示信息所用的是量子位。量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等），它可同时处于“即是0又是1”的状态。举例来说，在某一时候，2个比特位的经典打算机只能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个；而两个量子位的量子打算机则可以同时存储这4个数，由于每个量子位可同时表示两个数。也便是说，读取4个数时，量子打算机一次就可以完成，而经典打算机则要顺序实行4次。因此，随着量子位的增加，系统所存储的信息量会呈指数办法增长。
如今，环球各国都在加大对付量子技能的研发力度，有关量子技能的竞赛正在轰轰烈烈地展开。各国科学家们都希望创造出更快速、更通用、更小型、更可靠的量子处理器，以及拥有更多的量子位。之前，笔者的多篇文章都先容过干系创新成果。
例如，澳大利亚和荷兰的科研团队设计出了环球首款硅量子打算机芯片。基于硅自旋量子位的新方案，他们重新构思了常用的“硅”微处理器，设计出全新的硅量子打算机芯片，该芯片可通过最标准的工艺和元件进行制造。
（图片来源：Tony Melov / UNSW）
再例如，美国哈佛物理系实验室，哈佛大学教授 Mikhail Lukin、Markus Greiner和麻省理工学院教授 Vladan Vuletic 领导的科研团队开拓出一种分外的量子打算机，也称为量子仿照器，用于操作物质的量子位。它成功地将激光器调谐为陷阱，通过激光捕获超冷的铷原子，掌握51个量子位之间的交互，并以特定顺序组织它们，然后利用量子机制展开必要的打算。
（图片来源：Christine Daniloff / MIT）
创新
荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）也在积极投入到环球量子处理器的研发竞赛中，TU Delft 的研究机构 QuTech 正努力开拓几款量子芯片。近日，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft ）教授 Vandersypen 领导的科学家团队展示了在硅量子芯片中，电子自旋的量子信息可以传送至光子。对付超过芯片连接量子位和扩大量子位的数量来说，这一点非常主要。他们的研究成果揭橥于1月25日的《科学》（Science）杂志。
（图片来源：TU Delft）
技能
首先，让我们关注材料。这种量子打算机的核心是由硅制成。代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（ Kavli Institute of Nanoscience Delft）以及 QuTech 的教授 Lieven Vandersypen 阐明道：“这是一种我们非常熟习的材料。硅广泛运用于晶体管，存在于所有的电子器件中。”然而，对付量子技能来说，硅也是一种非常有出息的材料。博士研究生 Guoji Zheng 表示：“我们可以利用电场捕捉硅中的单个电子作为量子位利用。这是一种非常引人瞩目的材料，由于它担保了量子位中的信息可以永劫光存储。”
（图片来源：TU Delft）
其次，让我们关注量子位。有用的打算须要大量量子位。让量子位数量规模扩展到很大，将是一项环球性的寻衅。研究员 Nodar Samkharadze 表示：“为了同时利用许多的量子位，这些量子位须要相互连接，同时须要良好的通信。”目前，被捕捉作为量子位的电子只能与它们的隔壁直接打仗。Nodar 说：“这使得扩大量子位数量变得非常困难。”
其他的量子系统一样平常利用光子进行长间隔交互。例如，笔者曾先容过西班牙科研职员实现的一种根本的“稠浊”量子网络连接，首次利用单个光子作为信息载体，在位于不同实验室的两个不同的量子节点之间进行光量子通信。
（图片来源：ICFO/Scixel）
许多年来，利用光子进行长间隔通信也是硅的一个紧张目标。而只是在最近这些年，科学家们才在这方面取得了进展。最近，Delft 的科学家们展示了单个电子自旋和单个光子可以在硅芯片上耦合。这种耦合使得在自旋和光子之间传输信息，原则上变得有可能。
代价
Guoji Zheng 表示：“这对付连接间隔迢遥的硅芯片上的量子位来说很主要，从而为在多个硅芯片上扩大量子位的数量铺平了道路。”
Vandersypen 为他的团队感到自满，他说：“我的团队在相对较短的韶光内，顶着来自环球竞争的巨大压力，完成了这一创新成果。”这是一项真正的Delft 的打破。Nodar Samkharadze 补充说：“衬底是在 Delft 制作，芯片也是在 Delft 的净室制造，所有的丈量都是在QuTech开展。”
未来
科学家们正在为接下来的步骤努力事情。Vandersypen 表示：“现在目标便是通过光子将电子自旋的信息转移到其余一个。”
关键字
电子、量子、光子
参考资料
【1】https://www.tudelft.nl/en/2018/tu-delft/quantum-race-accelerates-development-of-silicon-quantum-chip/
【2】By N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen. Strong spin-photon coupling in silicon. Science, 2018 DOI: 10.1126/science.aar4054
