一塊矽晶片上造出15萬個量子位元：單自旋的首次光學偵測登上Nature

量子電腦在理論上可以解決經典電腦幾十億年無法解決的問題，但前提是它們必須擁有足夠的量子位元。近日，來自西門菲沙大學的研究者在單一晶片上製造出了超過15 萬個矽基量子比特，它們有希望與光連接在一起，從而有助於製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》雜誌上。

#論文網址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

自然界最好的天然量子位元之一：矽自旋

我們知道，經典電腦透過開啟或關閉電晶體來將資料表示為1 或0。相比之下，量子電腦使用量子位元。並且，由於量子物理學的超現實屬性，量子位元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位元同時執行兩次計算。在量子電腦中，連接或糾纏的量子位元越多，運算能力就會以指數方式增加。

目前，量子電腦是吵雜中型量子（noisy intermediate-scale quantum, NISQ）平台，這意味著其上的量子位元數量最多可以達到數百個。但為了證明對實際應用的效用，未來的量子電腦可能需要數千個量子位元來幫助抵消誤差。

同時，許多不同類型的量子位元正在開發之中，如超導電路、電磁捕獲離子和冷凍氖。在這項研究中，研究者發現矽製造的自旋量子位元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、西門菲沙大學量子工程師& 副教授Stephanie Simmons 表示，「矽自旋是自然界最好的天然量子位元之一。」

Stephanie Simmons

#自旋量子位元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。自旋量子位元可以存在於一個同時雙向定位的疊加態中。

矽自旋量子位元是迄今為止創造的最穩定的量子位元之一。 在全球半導體產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，科學家只在矽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，而這必須透過彼此非常接近的量子位元來完成，從工程角度來看很難擴展。

西門菲沙大學的研究者首次在矽量子位元中以光學方式偵測到單自旋。 Simmons 認為，這種對自旋量子比特的光學存取有朝一日可能利用光線讓量子位元在晶片上相互糾纏。

新的自旋量子位元是基於輻射損傷中心（radiation damage centers），也即使用離子注入或高能量電子輻射產生的矽內部缺陷。 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位元。 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。這種矽自旋量子位元的長壽命已經很有競爭力。

矽中的單一中心##

研究者在商業行業標準的絕緣矽片整合光子晶片上列印了 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 中心的自旋量子位元態具有略微不同的能量，並且各自發射不同波長的光。這讓科學家可以透過光學檢測來探知 T 中心自旋量子位元的狀態。

整合與光耦合T 中心

自旋量子位元發射的波長位於近紅外線O 波段（1260 至 1360 nm）。這意味著自旋量子位元可以透過發射電信網路中經常使用的光來與其他量子位元連接，以在量子處理器內協同工作，並幫助量子電腦在量子互聯網上合作。

另外，「電子和核自旋量子位元可以一起操作－核自旋作為長壽命記憶量子位元，電子自旋作為光耦合通訊量子位元，並且可以使用微波場在它們之間交換訊息，」Simmons 表示。 「沒有其他實體量子系統能夠將高性能量子記憶體、與遠距離光子直接連結起來，並展示出如此商業前景，矽晶片是現代微電子學和整合光子學的頂級平台。」

未來前景

有趣的是，在1970 年代，科學家就已經知道T 中心的存在。 「不知道為什麼我們是第一個開始研究 T 中心作為矽晶片量子位元的團隊，」Simmons 說。 「研究人員有可能認為，矽晶片中的自旋光量子位元無法與鑽石和碳化矽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。 「我們對這些量子位元的基本可擴展性感到非常興奮，」Simmons 說。 「它成為了國際量子電腦競賽的新成員，我們認為前景非常光明。」

儘管研究人員在這項新研究中製造了許多量子位元，但「這些尚未連接到工作的量子電腦中，」Simmons 補充道。 「對這些自旋的光學存取方式將使佈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。」

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