电光对话，量子计算机举目可及

晨飞

美国普林斯顿大学的研究者打造了一台设备，使硅基量子计算机离现实更近了一步。这台设备可以让单电子将其量子信息传递给光子，光子再进一步将信息传递给其他电子，形成计算机电路。该研究在普林斯顿大学和加州马里布的HRL 实验室进行，结果发表在《科学》杂志上。普林斯顿大学物理学教授杰森·佩塔说，这项建立电子与光子稳定传导性能的研究耗费了其5年多的心血。

用于捕捉和操纵单个和光子的完全封装的元件。

“就像人类之间的交流，电子和光子之间进行有效沟通，也需要首先解决一些问题，来确保它们使用同样的语言。”佩塔说，“我们目前能够让电子态的能量跟光子共振，好让这两种粒子可以相互‘交谈。”

这一发现能够使研究者用光来连接单电子，而单电子就是量子计算机中的比特位（bit），即最小存储单元。量子计算机的先进性在于，一旦成为现实，它将能够使用电子及其他微观粒子来进行计算，这种计算遵循的是量子规则而并非日常生活中的物理法则。

我们平常所见的电脑，每个比特位可以取值0或1。量子比特位——被称为量子位——可以取值0、1或者同时取值0和1。这种被称为态叠加的特性，使量子计算机能够处理今天计算机无法解决的复杂问题。

用被捕获的离子和超导体制作的简单量子计算机目前已经研制成功，硅基量子设备的研发却遇到了技术上的瓶颈。

研究者在新研发的设备中同时捕获了单电子和单光子，然后调整电子能量状态，使它能够将量子信息传递给光子。这种匹配可以使光子在相距远至1厘米的两个量子位之间传递信息。

量子信息极度脆弱，环境稍有扰动，信息就会完全丢失。相对来说，光子抗干扰能力更强，不仅能在一台量子计算机的量子位之间传递信息，甚至有在不同的量子芯片之间通过光缆传递量子信息的潜能。

然而，要使两种迥异的粒子进行对话，研究者必须打造一种仪器，为之提供合适的环境。首先，波音公司和通用汽车公司联合HRL 研发实验室的皮特·迪尔曼，制造出一种由硅和硅锗层组成的半导体芯片。这种结构能够在芯片表面下捕获单层电子。之后，普林斯顿的研究者在仪器上方架起了比人类头发还细的导线。这些直径在纳米级的导线使研究者能够获得捕捉单电子所需能量环境的电压，将其束缚在硅片上一个被称为双量子点的区域里。

研究者使用同样的导线来调整被捕获电子的能级，以便和光子匹配。该光子被束缚在搭建于硅片上的超导性腔体内。

在这一发现之前，超导体上的量子位只能和相邻的量子位偶联。使用光子和量子位偶联，就有可能在位于芯片两端的量子位之间传递信息。

电子的量子信息携带的仅仅是它在双量子点的两个能量阱中的位置。电子可以占有两个阱中的任何一个，或者两个同时占有。通过调节电压，研究者可以控制电子在能量阱中的位置。“我们现在具有把这种量子态信息传递给在硅片腔体内光子的能力。”文章的第一作者、普林斯顿物理系研究生肖密说，“这从来没有在半導体设备中实现过，因为量子态在信息传递出去之前就丢失了。”

普林斯顿大学的物理学教授杰森·佩塔（左）

该设备的成功归因于一种新的电路设计，该电路可使导线更接近量子位，并且能够减少其他来源电磁辐射的干扰。为了降噪，研究者安装了滤器来移除设备导线带来的不相关信号，这些金属导线同时还会屏蔽量子位，因此滤器的添加使量子位的噪音降低到之前的1%至1‰。最终，研究者计划让该设备对电子的本质特性——“自旋”——进行操作。“我们的长期目标是将自旋和电荷偶联，构成可以进行电子控制的自旋量子位系统。”佩塔说，“我们已经证明能够将电子和光子系统性偶联，这是向未来将电子自旋和光子偶联迈出的重要一步。”

德国亚琛工业大学量子信息中心的物理学家大卫·迪文申佐，在1996年发表的一篇具有影响力的论文中，概括了创造量子计算机所必需的5项最基本的必要条件。尽管他没有参与普林斯顿和HRL 实验室联合进行的这项研究，但是他表示：“寻找一个让单电子量子位实现强偶联的合适条件组合，一直是一个久攻不下的难点。我非常高兴看到他们找到了参数空间中的一个区域，让系统首次进入了强偶联的领域。”