想象一个世界，人们只能和隔壁邻居交谈，他们必须挨家挨户传递信息才能到达遥远的目的地。

到目前为止，构成硅量子计算机的硬件一直都是这种情况，硅量子计算机是量子计算机的一种，它的价格可能比今天的版本更便宜，更有用。

现在，普林斯顿大学的一个团队已经克服了这一限制，并证明了两个量子计算组件，即硅“自旋”量子比特，即使在计算机芯片上相距甚远，也可以相互作用。该研究发表于《自然》。

领导这项研究的普林斯顿大学尤金希金斯(Eugene Higgins)的物理学教授杰森皮塔(Jason Pita)说：“在硅芯片上跨越这个距离传输信息的能力给我们的量子硬件带来了新的功能。”最终目标是在二维网格中排列多个量子位，从而可以执行更复杂的计算。从长远来看，这项研究将有助于改善芯片上以及芯片之间的量子位通信。"

量子计算机有潜力解决日常计算机功能之外的挑战，例如分解大量数据。量子位或量子位可以处理比日常计算机位更多的信息，因为每个经典计算机位可以有0或1的值，而量子位可以同时代表0和1之间的值范围。

为了实现量子计算的承诺，这些未来的计算机将需要成千上万个可以相互通信的量子比特。如今，谷歌、IBM等公司生产的量子计算机原型包含数十个量子比特，这些量子比特是由涉及超导电路的技术制造的，但从长远来看，许多技术专家认为硅基量子比特更有前途。

硅自旋量子比特比超导量子比特有很多优点。硅自旋量子比特比竞争量子比特保留更长的量子态。硅在日常计算机中的广泛应用意味着硅基量子位可以低成本制造。

部分挑战源于硅自旋量子位由单个电子组成且非常小的事实。

英特尔量子硬件总监詹姆斯克拉克(James Clarke)表示：“多个量子比特之间的连线或‘互连’是大规模量子计算机面临的最大挑战。”他的团队正在利用英特尔先进的生产线制造硅量子位。正在研究中。“Jason Petta的团队在证明自旋量子比特可以远距离耦合方面付出了巨大的努力。”

为此，普林斯顿大学的研究小组通过一根“导线”将量子位连接起来，这种导线传输光的方式类似于将互联网信号传输到家庭的光纤线路。然而，在这种情况下，导线实际上是一个包含单个光或光子粒子的狭窄空腔，它从一个量子位提取信息，并将其传输到下一个量子位。

两个量子比特相距大约半厘米，或者大约一粒米长。从这个角度来看，如果每个量子位等于一所房子的大小，那么这个量子位可以向750英里外的另一个量子位发送信息。

向前迈出的关键一步是找到一种方法，将所有三个量子位和光子调谐到以相同的频率振动，这样它们就可以说相同的语言。该团队成功地相互独立地调谐了两个量子比特，同时仍然将它们耦合到光子上。以前，这种装置的结构一次只能将一个量子位耦合到光子上。

该研究的第一作者、研究生Felix Borjans说：“你必须在芯片两侧的量子位能量和光子能量之间取得平衡，这样这三种元素才能相互对话。“这是这项工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子位由一个单电子组成，它被捕获在一个叫做双量子点的小室中。电子有一种叫做自旋的特性，它可以像指向北或南的指南针一样指向上或下。通过用微波场拍打电子，研究人员可以上下旋转，将1或0的量子态分配给量子位。

HRL实验室的高级科学家、该项目的合作者萨德斯拉德(Thaddeus Ladd)说：“这是自旋纠缠电子在硅中自旋的第一个证明，这个距离比容纳这些自旋的器件的距离要大得多。”“不久前，由于自旋与微波耦合，避免了硅基器件中噪声电荷运动的影响，人们质疑这是否可能。这是硅量子位的重要可能性证明，因为它为未来硅基“量子微芯片”中如何连线这些量子位以及如何进行几何布局提供了极大的灵活性。

两个遥远的硅基量子比特设备之间的通信是基于Petta研究团队以前的工作。在2010年发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究团队表明，在量子阱中捕获单个电子是可能的。2012年，该团队报道了量子信息从纳米线的电子自旋转移到微波光子的过程，2016年，在《自然》中，他们展示了将信息从硅基电荷量子位转移到光子的能力。他们在2017年《科学》杂志上展示了量子比特的最新信息交易。该团队在2018年《科学》期上展示了硅自旋量子比特可以与光子交换信息。

斯坦福大学电气工程教授贾云馨武科维奇和全球领导力教授黄仁勋(未参与本研究)评论道：

;证明量子位之间的远程相互作用对于进一步发展诸如模块化量子等量子技术至关重要。计算机和量子网络。杰森·佩塔(Jason Petta)团队的令人振奋的结果是实现这一目标的重要里程碑，因为它证明了由微波光子介导的，间隔超过4毫米的两个电子自旋之间的非局部相互作用。此外，为了构建这种量子电路，该团队采用了硅和锗(半导体行业中大量使用的材料)。”

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