硅基量子比特芯片才是量子计算的未来

　　自上世纪80年代首次引入量子计算以来，它已经取得了长足的进步。研究人员一直在寻找一种更好的方式来提高量子计算系统的能力，无论是降低成本，还是寻求延长现有量子计算机的使用寿命。随着量子计算领域的最新技术进步----超导位----一种改善硅量子计算世界的新方法浮出水面，利用硅量子位进行更好的通信。
　　直到现在，不同量子位之间的通信还是相对缓慢的。这可以通过将消息传递给下一位来实现，从而在相对较远的距离将通信传递给另一个芯片。
　　现在，普林斯顿大学的研究人员已经开始探索在相对间隔的环境中被称为硅自旋量子比特的两个量子计算硅元件相互作用的想法，也就是说它们之间的距离相对较大。该研究发表在2019年12月25日的《自然》杂志上。
　　硅量子自旋量子比特使得量子硬件能够在一定距离上进行交互和传输信息，这将为硬件提供新的能力。通过远距离传输信号，多个量子比特可以被安排在二维网格中，这种网格可以执行比现有量子计算机硬件更复杂的计算。这项研究将有助于更好的量子位通信，不仅在芯片上，而且在芯片之间，这将对速度产生巨大的影响。
　　为了充分利用量子计算的能力，计算机需要尽可能多的量子位进行有效的相互通信。谷歌和 IBM 使用的量子计算机包含大约50个利用超导电路的量子比特。许多研究人员认为，从长远来看，硅基量子比特芯片才是量子计算的未来。
　　自旋硅量子比特的量子态比超导量子比特持续的时间更长，这是它们的显著特点之一(大约五年)。除了寿命更长，在日常计算机中应用广泛的硅材料也更便宜，这是超导量子比特的另一个劣势，因为它们需要大量的资金。单个量子比特的成本约为10000美元，这还不包括研发成本。考虑到这些成本，一台通用量子计算机——仅硬件——的成本就将至少在100亿美元左右。
　　应对挑战
　　但是，硅自旋量子比特有它们的自身的限制，部分原因是它们非常小，我们所说的小是指，它们是由单个电子构成的。这个问题是一个巨大的挑战，当涉及到建立一个互连的多个量子位时，需要建立一个大型计算机。
　　为了解决这些极小的硅自旋量子比特之间的互连问题，普林斯顿大学的研究小组用一种类似于光纤的导线将这些量子比特连接起来，这些＂导线＂携带光线。这根导线包含光子，光子从一个量子位接收信息，并将其传送到下一个量子位。为了更准确地理解这一点，如果在现实世界中，为了进行通信，量子位之间相距半厘米，就好像这些量子位在750英里之外。
　　这项研究的下一步是通过调谐量子位和光子到相同的频率，建立一种让量子位和光子交流相同语言的方法。以前这个装置的结构允许一次只调谐一个量子比特到一个光子，现在这个团队成功地调谐了两个相互独立的量子比特，同时仍然将它们耦合到光子上。
　　你必须平衡芯片两侧的量子位能量和光子能量，才能使三种元素相互对话。
　　研究生菲利克斯•博尔詹斯(Felix Borjans)是这项研究的第一作者，他将这项研究描述为＂工作中具有挑战性的部分＂。
　　研究人员展示了电子自旋在硅中的纠缠，这种纠缠远远超过了设备外壳的距离，这对于量子位的布线以及如何在硅基量子微芯片中布线来说是一个重大进展。
　　远距离硅基量子比特装置之间的通信建立在 Petta 研究小组2010年的工作之上，该小组展示了如何在量子阱中捕获单个电子，同时也展示了2012年《自然》杂志上的工作(从电子自旋转移量子信息)
　　来自《科学2016》(展示了从硅基电荷量子比特向光子传输信息的能力)、《科学2017》(以量子比特为单位的信息最近邻交换)和《2018自然》(硅自旋量子比特可以与光子交换信息)的论文。
　　这两个硅自旋量子比特之间相互作用的演示对量子技术的进一步发展至关重要。这次演示将有助于诸如模块化量子计算机和量子网络之类的技术。这个团队使用了硅和锗，这两种材料在市场上随处可见。