全球正在加速竞争创造更多、更好、更可靠的量子处理器，荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)Vandersypen教授领导的科学家团队正致力于该领域的研究，在与竞争对手的激烈竞争中，他们证明了电子自旋的量子信息可以被传送给硅量子芯片中的光子。这一重大发现对于连接整个芯片的量子比特并允许扩展到大量的量子比特是十分关键的。新的研究成果发表在世界权威学术期刊《科学》杂志上。

　　图为研究人员，从左至右依次是Nodar Samkharadze，Lieven Vandersypen和Guoji Zheng

　　研究背景

　　未来的量子计算机进行计算的能力将远远超出当今计算机。量子叠加和量子比特(量子位)纠缠使得执行并行计算成为可能。全世界的科学家和公司都在创造具有越来越多量子比特的更好的量子芯片。代尔夫特理工大学的QuTech研究机构正在致力于研究多种类型的量子芯片。

　　量子芯片的核心是由硅制成的。QuTech机构的Lieven Vandersypen教授解释说：“这是我们非常熟悉的材料，硅在晶体管中被广泛使用，因此可以在所有电子器件中找到。”

　　但同时硅也是量子技术非常有前景的材料。在读博士Guoji Zheng说：“我们可以利用电场捕获硅中的单电子作为量子比特，这是一种有吸引力的材料，因为它确保了量子比特中的信息可以长时间存储。”

　　研究挑战

　　进行复杂的计算需要大量的量子比特，这成为全球范围内的挑战难题。研究人员Nodar Samkharadze解释说：“要同时使用大量的量子位，他们不仅需要互相连接，还需要良好的通信。目前在硅中被捕获为量子比特的电子只能与其相邻的量子比特直接接触，这使得扩展到大量的量子比特变得非常棘手。”

　　其他的量子系统可使用光子进行长距离交互。多年来，这也是硅量子研究的主要目标。只有近几年科学家们才在这方面取得了进展。

　　重大发现与意义

　　代尔夫特理工大学的科学家现在已经证明，单电子自旋和单光子可以耦合在一个硅芯片上。这种耦合理论上可以在自旋和光子之间传递量子信息。Guoji Zheng说：“实现把硅芯片上的远距离量子比特连接起来非常重要，可为硅芯片上的量子比特扩展铺平道路。”

　　Vandersypen为他的团队感到自豪：“在全球竞争的巨大压力下，我们的团队在相对较短的时间内完成了这一成果。”这是代尔夫特理工大学一项真正的突破，Vandersypen 补充表示：“衬底是在代尔夫特制作，芯片也是在代尔夫特洁净室制造，并且所有测量都是在QuTech进行的”。

　　图为单电子自旋和单光子耦合在一个硅芯片上的示意图

　　下一步研究

　　科学家正在努力进行下一步工作。Vandersypen表示，现在的目标就是通过光子将电子自旋的信息转移到另外一个。

　　研究资助

　　该研究是由欧洲研究理事会(ERC)协同资助计划(Synergy Grant)、荷兰科学研究组织(NWO)的Nanofront项目以及美国因特尔公司共同资助。

　　成果发表

　　N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen. Strong spin-photon coupling in silicon. Science, 2018 DOI: 10.1126/science.aar4054

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