科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

一組國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破：首次利用兩個(gè)原子核的自旋實(shí)現(xiàn)了“量子糾纏態(tài)”，讓原子核實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)距離聊天”。這一糾纏是量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的核心資源，顯示出利用現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)和制造工藝打造未來(lái)量子芯片的巨大潛力。該成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上，標(biāo)志著向構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)邁出了關(guān)鍵一步。

量子計(jì)算領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨一個(gè)根本性矛盾：既要保護(hù)量子比特免受外界噪聲和干擾，又要讓它們能夠相互作用以執(zhí)行計(jì)算。這也解釋了為何目前存在多種硬件平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展——有些擅長(zhǎng)快速操作卻易受噪聲影響，有些抗干擾能力強(qiáng)卻難以擴(kuò)展。此次研究專注于一種此前被認(rèn)為難以擴(kuò)展的技術(shù)路徑：利用植入硅芯片中的磷原子核自旋來(lái)編碼量子信息。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)此前已證明，量子信息可在原子核中保持超過(guò)30秒（這在量子尺度上已經(jīng)是非常長(zhǎng)的時(shí)間），并能以低于1%的錯(cuò)誤率執(zhí)行量子邏輯操作。但這一優(yōu)勢(shì)卻難以擴(kuò)展。

團(tuán)隊(duì)此次通過(guò)讓每個(gè)原子核與一個(gè)獨(dú)立的電子耦合，再讓這兩個(gè)電子在空間中相互作用，從而實(shí)現(xiàn)原子核之間的遠(yuǎn)距離通信。此前，原子核就像被關(guān)在隔音房間里的個(gè)體，雖然同處一室時(shí)對(duì)話清晰，但無(wú)法與外界溝通。現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)相當(dāng)于給了它們一部“電話”，可與其他房間進(jìn)行通話。每個(gè)房間依然安靜、隔離良好，但交流范圍卻大大擴(kuò)展。

實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)原子核相距約20納米（僅為人頭發(fā)絲直徑的千分之一）。團(tuán)隊(duì)解釋稱，這聽(tīng)起來(lái)微小，但如果將原子核放大到一個(gè)人的大小，它們之間的距離相當(dāng)于悉尼與波士頓之間的跨度。更重要的是，20納米正是當(dāng)前用于制造手機(jī)和電腦芯片的現(xiàn)代硅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尺度。測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)利用日本慶應(yīng)義塾大學(xué)提供的超純硅晶圓，將磷原子精準(zhǔn)植入芯片。

基于原子核自旋的硅量子計(jì)算機(jī)，正在規(guī)?；缆飞锨斑M(jìn)，此次成果掃清了一個(gè)最大障礙，且新方法既穩(wěn)健又可擴(kuò)展。目前實(shí)驗(yàn)僅使用兩個(gè)電子，未來(lái)可引入更多電子，實(shí)現(xiàn)相互作用的快速、精確開(kāi)關(guān)。

總編輯圈點(diǎn)

新成果不僅巧妙解決了量子計(jì)算中一些固有矛盾，還開(kāi)辟出一條依托現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)量子芯片規(guī)模化的新路徑，為“安靜”但孤立的量子比特搭建了可編程的通信橋梁。尤為關(guān)鍵的是，20納米間距與主流芯片工藝的完全兼容，意味著量子器件可直接借力成熟技術(shù)，大幅縮短從實(shí)驗(yàn)室原型到工業(yè)化生產(chǎn)的距離。這不僅是技術(shù)路線的驗(yàn)證，更是對(duì)硅基量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化前景的強(qiáng)力提振。