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光子连接点

发布:laserpulse    |    2020-01-08 14:34    阅读:424
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考虑到硅在微电子学中的领先地位,一些科学家认为,在构建量子计算机时,这种材料是自然选择。 原则上,可以使用类似于当今半导体行业的技术来制造由硅内单电子的自旋产生的量子位,从而降低成本。 但是,很难将这样的量子比特链接在一起并创建大型阵列,而如果量子计算机要执行有用的任务,则需要大阵列。但是,现在,美国的科学家们已经展示了如何利用微波光子来连接两个毫米以上的硅量子比特(在量子世界中距离很远)。 他们说,这一成就有助于改善同一芯片上的量子位之间以及从一个芯片到另一个芯片的通信。

美国普林斯顿大学的研究人员展示了如何利用微波光子将一个量子点(如上图所示)内的量子比特与另一个约4mm的计算机芯片相连接。为了在工作的量子计算机内创建大量的量子位,将需要这种连接。

难以捉摸的链接

量子计算机原则上可以比传统计算机以指数方式快地执行某些任务,因为量子位可以同时存在于状态0和1中,而不只是一个或另一个。经过多年的发展,这种计算机的潜力似乎在十月份得到了证实,当时科技巨头Google的研究人员报告说已经实现了“量子至上”(quantum supremacy)-在经典计算机上执行不可能在任何合理时间进行仿真的算法。他们使用仅包含53个超导量子位的处理器进行了处理。但是,与所有拟议的量子位技术一样,超导电路也有其优缺点:它们运作迅速,但相干时间短,其微妙的量子态仅持续几微秒。相比之下,由量子点(本质上是涉及向纳米尺寸的半导体中添加单个电子的人工原子)构成的量子位可以保持相干约十分之一秒。但是,将一个这样的量子比特连接到另一个量子比特具有很大的挑战。

建立联系

在这项新工作中,普林斯顿大学的Jason Petta及其同事展示了如何将自旋量子位链接到两个双量子点中,以创建等效的半导体分子。他们通过在硅和锗衬底上铌超导腔的任一端将点隔开4 mm定位,并在每个点中隔离单个电子来做到这一点。通过施加和改变外部磁场,研究人员表明,他们可以将陷在每个量子点中的自旋与腔中的微波光子单独耦合。由于每个自旋以不同的共振频率耦合,因此该团队能够排除两个自旋仅在局部相互耦合的可能性。接下来,Petta和同事确定了外部场的值,并改变了其相对于样品的角度。通过这种方式,他们能够使两个自旋与空腔以及彼此共振。这“证明了两个自旋和腔光子之间存在长距离相互作用。”旋之间的这种非局部相互作用是“所有量子比特连接性的重要里程碑,并且基于硅的量子电路具有可扩展性”,特别是允许在远距离自旋之间创建两个量子比特的门。

迈向量子微芯片

加州马里布HRL实验室的高级科学家Thaddeus Ladd小组合作者在普林斯顿大学的新闻稿中强调了这一发现的重要性。拉德认为,该实验标志着“电子自旋在硅中纠缠在一起的第一个证明,该距离远大于容纳自旋的器件。”他解释说,以前,基于硅的设备中的噪声使自旋量子位之间的这种长距离相互作用产生了疑问。根据Ladd的说法,这项新发现“在未来的基于硅的“量子微芯片”的布线方法以及如何以几何方式布局这些量子位方面,提供了极大的灵活性。”

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