一块硅芯片上造出15万量子比特：单自旋的首次光学检测登上Nature

量子计算机在理论上可以解决经典计算机几十亿年都无法解决的问题，但前提是它们必须拥有足够多的量子比特。近日，来自西蒙弗雷泽大学的研究者在单个芯片上制造出了超过 15 万个硅基量子比特，它们有希望与光连接在一起，从而有助于制造出与量子互联网连接的强大量子计算机。

相关论文《Optical Observation of Single Spins in Silicon》已发表在了最新一期的《自然》杂志上。

论文地址：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

我们知道，经典计算机通过打开或关闭晶体管来将数据表示为 1 或 0。相比之下，量子计算机使用量子比特。并且，由于量子物理学的超现实属性，量子比特可以在叠加态中存在，在这种状态中它们基本上同时表示为 1 和 0。这种现象让每个量子比特同时执行两次计算。在量子计算机中，连接或纠缠的量子比特越多，计算能力就会以指数方式增加。

目前，量子计算机是嘈杂中型量子（noisy intermediate-scale quantum, NISQ）平台，这意味着其上的量子比特数量最多可以达到几百个。但为了证明对实际应用的效用，未来的量子计算机可能需要数千个量子比特来帮助抵消误差。

与此同时，很多不同类型的量子比特正在开发之中，如超导电路、电磁俘获离子和冷冻氖。在这项研究中，研究者发现用硅制造的自旋量子比特可能在量子计算领域具有很好的发展前景。

论文共同通讯作者之一、西蒙弗雷泽大学量子工程师 & 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种粒子（如电子或原子核）角动量，它能够以类似指南针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个同时双向定位的叠加态中。

硅自旋量子比特是迄今为止创造的最稳定的量子比特之一。在全球半导体行业数十年开发工作的支持下，这项技术在理论上得以迅速发展。截至目前，科学家们只在硅电子中测量了单自旋。这反过来意味着将自旋纠缠在一起的唯一方式是电磁，而这这必须通过彼此非常接近的量子比特来完成，从工程角度来看很难扩展。

西蒙弗雷泽大学的研究者首次在硅量子比特中通过光学方式检测到单自旋。Simmons 认为，这种对自旋量子比特的光学访问有朝一日可能利用光让量子比特在芯片上相互纠缠。

新的自旋量子比特基于辐射损伤中心（radiation damage centers），也即使用离子注入或高能电子辐射产生的硅内部缺陷。具体而言，它们可以被称为 T 中心（T centers），每个都由两个碳原子、一个氢原子和一个不成对电子组成。

每个 T 中心都拥有一个不成对的电子自旋和一个氢核自旋，每个都可以作为量子比特。其中，电子自旋保持一致或稳定的时间可以超过 2 毫秒，氢核自旋则可以保持 1.1 秒。这种硅自旋量子比特的长寿命已经很有竞争力。

硅中的单个中心

研究者在商业行业标准的绝缘硅片集成光子芯片上打印了 15 万个被称为「微型圆盘」（micropucks）的点。每个微型圆盘的宽度从 0.5 到 2.2 微米不等，它们平均都拥有一个 T 中心。

在显微镜下：数千个微型圆盘阵列

在磁场作用下，每个 T 中心的自旋量子比特态具有略微不同的能量，并且各自发射不同波长的光。这让科学家们可以通过光学检测探知 T 中心自旋量子比特的状态。

集成和光耦合 T 中心

自旋量子比特发射的波长位于近红外 O 波段（1260 to 1360 nm）。这意味着自旋量子比特可以通过发射电信网络中经常使用的光来与其他量子比特连接，以在量子处理器内协同工作，并帮助量子计算机在量子互联网上合作。

另外，「电子和核自旋量子比特可以一起操作——核自旋作为长寿命记忆量子比特，电子自旋作为光耦合通信量子比特，并且可以使用微波场在它们之间交换信息，」Simmons 表示。「没有其他物理量子系统能够将高性能量子存储器、与远距离光子直接链接起来，并展示出如此商业前景，硅芯片是现代微电子学和集成光子学的顶级平台。」

未来前景

有意思的是，在 1970 年代，科学家们就已经知道 T 中心的存在。「不知道为什么我们是第一个开始研究 T 中心作为硅芯片量子比特的团队，」Simmons 说道。「研究人员有可能认为，硅芯片中的自旋光量子比特无法与金刚石和碳化硅等其他材料中的候选者竞争。这对我们来说是个谜。」

但目前研究展现了新的前景。「我们对这些量子比特的基本可扩展性感到非常兴奋，」Simmons 说道。「它成为了国际量子计算机竞赛的新成员，我们认为前景非常光明。」

尽管研究人员在这项新研究中制造了许多量子比特，但「这些尚未连接到工作的量子计算机中，」Simmons 补充道。「对这些自旋的光学访问方式将使布线比许多其他方法更容易，但这项技术还很年轻，还有很多工作要做。」

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