量子計算機在理論上可以解決經典計算機幾十億年都無法解決的問題，但前提是它們必須擁有足夠多的量子比特。近日，來自西蒙弗雷澤大學的研究者在單個芯片上制造出了超過 15 萬個硅基量子比特，它們有希望與光連接在一起，從而有助于制造出與量子互聯網連接的強大量子計算機。

相關論文《Optical Observation of Single Spins in Silicon》已發表在了最新一期的《自然》雜志上。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

自然界最好的天然量子比特之一：硅自旋

我們知道，經典計算機通過打開或關閉晶體管來將數據表示為 1 或 0。相比之下，量子計算機使用量子比特。并且，由于量子物理學的超現實屬性，量子比特可以在疊加態中存在，在這種狀態中它們基本上同時表示為 1 和 0。這種現象讓每個量子比特同時執行兩次計算。在量子計算機中，連接或糾纏的量子比特越多，計算能力就會以指數方式增加。

目前，量子計算機是嘈雜中型量子（noisy intermediate-scale quantum, NISQ）平臺，這意味著其上的量子比特數量最多可以達到幾百個。但為了證明對實際應用的效用，未來的量子計算機可能需要數千個量子比特來幫助抵消誤差。

與此同時，很多不同類型的量子比特正在開發之中，如超導電路、電磁俘獲離子和冷凍氖。在這項研究中，研究者發現用硅制造的自旋量子比特可能在量子計算領域具有很好的發展前景。

論文共同通訊作者之一、西蒙弗雷澤大學量子工程師 & 副教授 Stephanie Simmons 表示，「硅自旋是自然界最好的天然量子比特之一。」

Stephanie Simmons

自旋量子比特中的自旋是一種粒子（如電子或原子核）角動量，它能夠以類似指南針指向南北的方式指向上方或下方。自旋量子比特可以存在于一個同時雙向定位的疊加態中。

硅自旋量子比特是迄今為止創造的最穩定的量子比特之一。在全球半導體行業數十年開發工作的支持下，這項技術在理論上得以迅速發展。截至目前，科學家們只在硅電子中測量了單自旋。這反過來意味著將自旋糾纏在一起的唯一方式是電磁，而這這必須通過彼此非常接近的量子比特來完成，從工程角度來看很難擴展。

西蒙弗雷澤大學的研究者首次在硅量子比特中通過光學方式檢測到單自旋。Simmons 認為，這種對自旋量子比特的光學訪問有朝一日可能利用光讓量子比特在芯片上相互糾纏。

新的自旋量子比特基于輻射損傷中心（radiation damage centers），也即使用離子注入或高能電子輻射產生的硅內部缺陷。具體而言，它們可以被稱為 T 中心（T centers），每個都由兩個碳原子、一個氫原子和一個不成對電子組成。

每個 T 中心都擁有一個不成對的電子自旋和一個氫核自旋，每個都可以作為量子比特。其中，電子自旋保持一致或穩定的時間可以超過 2 毫秒，氫核自旋則可以保持 1.1 秒。這種硅自旋量子比特的長壽命已經很有競爭力。

硅中的單個中心

研究者在商業行業標準的絕緣硅片集成光子芯片上打印了 15 萬個被稱為「微型圓盤」（micropucks）的點。每個微型圓盤的寬度從 0.5 到 2.2 微米不等，它們平均都擁有一個 T 中心。

在顯微鏡下：數千個微型圓盤陣列

在磁場作用下，每個 T 中心的自旋量子比特態具有略微不同的能量，并且各自發射不同波長的光。這讓科學家們可以通過光學檢測探知 T 中心自旋量子比特的狀態。

集成和光耦合 T 中心

自旋量子比特發射的波長位于近紅外 O 波段（1260 to 1360 nm）。這意味著自旋量子比特可以通過發射電信網絡中經常使用的光來與其他量子比特連接，以在量子處理器內協同工作，并幫助量子計算機在量子互聯網上合作。

另外，「電子和核自旋量子比特可以一起操作——核自旋作為長壽命記憶量子比特，電子自旋作為光耦合通信量子比特，并且可以使用微波場在它們之間交換信息，」Simmons 表示。「沒有其他物理量子系統能夠將高性能量子存儲器、與遠距離光子直接鏈接起來，并展示出如此商業前景，硅芯片是現代微電子學和集成光子學的頂級平臺。」

未來前景

有意思的是，在 1970 年代，科學家們就已經知道 T 中心的存在。「不知道為什么我們是第一個開始研究 T 中心作為硅芯片量子比特的團隊，」Simmons 說道。「研究人員有可能認為，硅芯片中的自旋光量子比特無法與金剛石和碳化硅等其他材料中的候選者競爭。這對我們來說是個謎。」

但目前研究展現了新的前景。「我們對這些量子比特的基本可擴展性感到非常興奮，」Simmons 說道。「它成為了國際量子計算機競賽的新成員，我們認為前景非常光明。」

盡管研究人員在這項新研究中制造了許多量子比特，但「這些尚未連接到工作的量子計算機中，」Simmons 補充道。「對這些自旋的光學訪問方式將使布線比許多其他方法更容易，但這項技術還很年輕，還有很多工作要做。」