自旋量子比特在量子计算领域有更好的发展前景

理论上，量子计算机可以解决经典计算机无法解决的问题，但前提是它们具有许多称为量子位的部件。现在，科学家们已经在芯片上创建了超过150,000个硅基量子位，这些量子位可以通过光连接在一起，帮助形成通过量子互联网连接的强大量子计算机。

我们知道，经典计算机通过打开或关闭晶体管来将数据表示为1或0。相比之下，量子计算机使用量子位。而且，由于量子物理学的超现实性质，量子位可以以叠加态存在，其中它们本质上同时代表 1 和 0。这种现象允许每个量子位同时执行两个计算。在量子计算机中，连接或纠缠的量子位越多，计算能力就会呈指数级增长。

目前，量子计算机在中规模量子 (NISQ) 平台中存在噪音，这意味着它们最多可以拥有数百个量子位。但为了证明对实际应用有用，未来的量子计算机可能需要数千个量子位来帮助消除错误。

与此同时，许多不同类型的量子位正在开发中，例如超导电路、电磁捕获离子和冻结氖。在这项研究中，研究人员发现，由硅制成的自旋量子位在量子计算领域可能具有良好的前景。

“硅自旋是自然界中最好的天然量子位之一，”研究作者、加拿大不列颠哥伦比亚省西蒙弗雷泽大学的量子工程师斯蒂芬妮·西蒙斯说。

自旋量子位中的“自旋”是粒子（例如电子 或原子核）的角动量。旋转可以指向向上或向下，就像指南针指向北方或南方一样。自旋量子位可以以叠加的形式存在，其中它同时面向两个方向。

硅自旋量子位是有史以来最稳定的量子位之一。此外，在全球半导体行业数十年开发工作的支持下，该技术理论上可以快速扩展。

“到目前为止，科学家只测量了硅电子中的单个自旋。这反过来意味着使自旋纠缠的唯一方法是电磁，而这必须通过彼此非常接近的量子位来完成，”西蒙斯说，“从工程角度来看，很难扩展。”

现在，研究人员首次通过光学手段检测到硅量子位中的单个自旋。西蒙斯认为，这种对自旋量子位的光学访问表明，有一天可能可以使用光“让量子位在芯片上或在数据中心上彼此纠缠，就像它们并排​​一样容易”。

新的自旋量子位基于辐射损伤中心（radiation损伤中心rs），这是使用离子注入或高能电子辐射在硅中产生的内部缺陷。具体来说，它们可以称为T中心，每个中心由两个碳原子、一个氢原子和一个不成对电子组成。

每个T中心都有一个不成对的电子自旋和一个氢核自旋，每个都可以充当一个量子位。电子的自旋可以保持相干或稳定超过2毫秒；氢原子的核自旋可以保持相干或稳定超过1.1秒。 “我们的硅自旋量子位的长寿命已经相当有竞争力，我们有办法进一步推动它们，”西蒙斯说。

研究人员在商业行业标准绝缘体上硅集成光子晶圆上印刷了 150,000 个称为“micropuck”的点。该研究的主要作者、西蒙弗雷泽大学的 Daniel Higginbottom 表示，每个微盘的宽度范围为 0.5 至 2.2 微米，并且它们都有一个平均 T 中心。

在磁场下，每个 T 中心的自旋量子位态的能量略有不同，并且各自发射不同波长的光。这使得科学家能够光学检测这些 T 中心每个自旋量子位的状态。

这些自旋量子位发射的波长位于近 红外 O 波段。这意味着这些自旋量子位可以通过发射电信网络中常用的光来连接到其他量子位，帮助量子位在量子处理器中协同工作，并帮助量子计算机通过量子进行协作互联网。

此外，“电子和核自旋量子位可以一起运行 - 核自旋作为长寿命记忆量子位，电子自旋作为光耦合器耦合通信量子位 - 并且可以使用微波场在它们之间交换信息，”西蒙斯说，“没有其他物理量子系统能够推进西方能源量子存储器、与电信光子的直接和强大连接，以及硅结合其商业前景，是世界顶尖的现代微电子和集成光子学平台。”

自 20 世纪 70 年代以来，科学家们就已经了解 T 中心。西蒙斯说：“研究人员可能认为硅中的候选自旋光子量子位不太可能与金刚石和碳化硅等其他材料中的候选自旋光子量子位竞争。这对我们来说是一个谜。”

总的来说，“我们对这些量子位的基本可扩展性感到非常兴奋，”西蒙斯说。 “这是国际量子计算机竞赛中的新进入者，我们认为未来非常光明。”

虽然研究人员在新研究中创建了许多量子位，“这些尚未连接到工作的量子计算机，”西蒙斯警告说，“对这些自旋的光学访问将使这种接线速度比许多其他方法要容易得多，但技术还很年轻，还有很多工作要做。”