本次研究首次在硅量子比特（圖中方框部份）之間構建了長距離通信。圖片來源：Felix,
為了建造更高效的量子計算機，讓數目諸多、相距一定距離的量子比特互相聯接十分關鍵。耶魯學院的一項研究朝著這個目標邁出了重要一步，在兩個相距4毫米的硅量子比特之間構建聯接，首次實現了量子尺度下的長距離通信。相關論文于12月25日在《自然》發表。
撰文王曌
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來源科研圈（ID：）
在信息網路技術發達的明天，你肯定難以想像一個信息只能挨家挨戶面對面傳遞的世界。并且直至明天，硅量子計算機硬件中的信息傳遞仍是以這些“原始”的形式進行的。近來，耶魯學院的一個研究團隊打破了這些限制，在兩個相距4毫米的硅載流子量子比特之間構建了長程通訊。相關研究成果于12月25日發表在《自然》（）上。
耶魯學院化學學院士、該項研究負責人杰森·皮塔（JasonPetta）表示：“實現硅載流子量子比特的長程通訊將解鎖量子硬件的新功能。我們的終極目標是設計出二維的硅載流子量子比特陣列，使硅量子計算機具備執行更復雜估算的能力。但是，假若從長遠來看，這項研究除了可改善單塊芯片上量子比特的通訊，還可用于不同芯片之間量子比特的通訊。”
硅載流子量子比特vs超導量子比特
量子計算機擁有遠超精典計算機的估算潛力，這是由于精典計算機中的最小信息量單位——比特（bit）只能表示0或則1，而量子計算機的最小信息量單位——量子比特（qubit）卻可以同時表示0到1之間的一系列數值。
怎么讓更多的量子比特更高效地協同工作，是量子計算機發展的重要課題。量子比特的數目決定了量子計算機可儲存、處理的信息量。目前微軟、IBM和其他公司的量子計算機靶機早已包含數十個量子比特，這種量子比特大多是超導量子比特。諸如去年10月微軟宣布實現量子優越性時，她們使用的量子計算機就包含53個超導量子比特。
然而，真正實現量子估算須要幾萬個可以相互通信的量子比特，因而量子計算機的發展還有很長的路要走。倘若能在微小的芯片上排布更多的量子比特，無疑會大大提高量子計算機可儲存、處理的信息量。
在這項研究中，耶魯團隊使用了另一種技術——硅載流子量子比特。硅量子比特的規格遠大于超導量子比特，考慮密集排列時，硅載流子量子比特會是更好的選擇。雖然目前硅載流子量子比特技術尚不如超導量子比特成熟，但從長遠來看，許多技術專家覺得硅載流子量子比特會更具前景。由于硅早早已在日常計算機中廣泛使用，制造硅載流子量子比特的成本較低，但是在業界幾六年硅材料大規模集成電路制造經驗的加持下，硅載流子量子比特在維持量子態方面的潛力更強。
然而硅載流子量子比特技術本身也面臨著一些挑戰：一方面，硅載流子量子比特僅由單個電子構成，整體規格極小，制造難度很大；另一方面，多個硅載流子量子比特之間的高效通訊問題也是亟需解決的難點。
給量子比特接上“電話線”
硅載流子量子比特可以被看作是硅基元件上的一間小房屋，上面困著一顆電子。電子具有一種稱為載流子的特點，可以像手冊針一樣指向南方或北方。使用微波轟擊電子，就可以翻轉電子的載流子狀態，因而給量子比特分配1或0的量子態。
要想讓量子計算機執行復雜的估算，就須要讓多個量子比特協同工作。假如量子比特之間的通訊仍然逗留在兩個毗鄰的量子比特“面對面”傳遞信息的程度，可想而知，量子計算機的估算能力會遭到很大的限制。要打破這些限制，就須要在芯片上任意兩個量子比特之間構建長程通訊。
為了解決這個問題，皮塔團隊將兩個量子比特用一根“導線”連接上去。這些導線類似于可傳遞光子的家用光纖，但它足夠修長，一次只能傳遞一個光子。耦合了其中一個量子比特電子載流子信息的光子就可以通過導線被傳遞到另一個量子比特。
在兩個硅載流子量子比特之間構建長程通訊的另一個關鍵，是確保發送訊號的量子比特、傳遞訊號的光子以及接收訊號的量子比特兩者具有相同的震動頻度，讓它們“說”出同一種語言。在此之前，皮塔團隊曾在同樣的設備上分別舉辦過由量子比特向光子發送訊號和讓量子比特接收光子信息的實驗鍺與量子通訊，這次她們成功將兩者結合上去，在兩個硅載流子量子比特之間構建了長程通訊。這項研究的第一作者、研究生費利克斯·博詹斯（Felix）說：“只有平衡芯片兩側的量子比特的能量以及光子能量，能夠使兩者具有相同的震動頻度。這是工作中真正具有挑戰性的部份。”
通過這些方法，皮塔團隊成功地在兩個相距4mm的硅量子比特之間構建了長程通訊。這個距離大概相當于一粒米的寬度，卻比量子比特的尺度高出了幾個數目級。假如假定每位量子比特有一間房屋這么大，這么這個實驗就相當于在兩間相距1200公里的房屋之間構建通訊。
讓量子世界互相聯接
“研究第一次在遠小于量子比特規格的寬度下展示了硅電子載流子的量子糾纏，”HRL實驗室的資深科學家、該項目的合作者薩迪斯·拉德（Ladd）說，“由于將量子比特的電子載流子信息耦合到微波光子的同時會在硅基元件表面形成電噪音，不久曾經你們還一度懷疑這些技巧的可行性。并且，毫無疑惑地，這項工作將使你們愈發靈活地舉辦研究，探求多量子比特之間的布線，以及硅基量子微芯片的布局。”
這項研究也得到了同行的高度評價。英特爾（Intel）集團的量子硬件主管詹姆斯·克拉克（James）仍然率領他的團隊生產硅載流子量子比特，他覺得：“多個量子比特之間的布線或‘互聯’是小型量子計算機面臨的最大挑戰。”克拉克并未參與皮塔等人的研究，他評論道“在證明硅載流子量子比特可進行遠距離耦合方面，皮塔團隊的工作是一次很偉大的進展。”
耶魯學院的電氣工程學院士伊萊娜·瓦科維奇（）覺得皮塔團隊的研究成果是量子比特長程通訊技術發展公路上的里程碑鍺與量子通訊，她評論道：“皮塔團隊使用已在半導體行業中大量應用的硅、鍺材料證明，兩個相距4mm的量子比特可在光子的介導下發生非局部互相作用。而構建量子比特之間的長程通訊對進一步發展模塊化量子計算機、量子計算機網路等技術至關重要。”
總而言之，量子比特之間的長程通訊是先進量子信息技術的標志。在遠小于量子比特規格的距離上傳遞量子狀態信息、產生量子糾纏除了可以降低量子微芯片上各個量子比特之間的互聯，還可以在任意兩個量子比特之間建立邏輯門。隨著量子比特長程通訊技術的發展，將來的量子計算機能同時儲存和處理更多信息，這些并行能力的提高可以解決精典計算機的“算力”所不能及的問題，影響人類社會的方方面面。
