本次研究首次在硅量子比特（图中方框部份）之间构建了长距离通信。图片来源：Felix,
为了建造更高效的量子计算机，让数目诸多、相距一定距离的量子比特互相联接十分关键。耶鲁学院的一项研究朝着这个目标迈出了重要一步，在两个相距4毫米的硅量子比特之间构建联接，首次实现了量子尺度下的长距离通信。相关论文于12月25日在《自然》发表。
撰文王曌
编辑戚译引
来源科研圈（ID：）
在信息网路技术发达的明天，你肯定难以想像一个信息只能挨家挨户面对面传递的世界。并且直至明天，硅量子计算机硬件中的信息传递仍是以这些“原始”的形式进行的。近来，耶鲁学院的一个研究团队打破了这些限制，在两个相距4毫米的硅载流子量子比特之间构建了长程通讯。相关研究成果于12月25日发表在《自然》（）上。
耶鲁学院化学学院士、该项研究负责人杰森·皮塔（JasonPetta）表示：“实现硅载流子量子比特的长程通讯将解锁量子硬件的新功能。我们的终极目标是设计出二维的硅载流子量子比特阵列，使硅量子计算机具备执行更复杂估算的能力。但是，假若从长远来看，这项研究除了可改善单块芯片上量子比特的通讯，还可用于不同芯片之间量子比特的通讯。”
硅载流子量子比特vs超导量子比特
量子计算机拥有远超精典计算机的估算潜力，这是由于精典计算机中的最小信息量单位——比特（bit）只能表示0或则1，而量子计算机的最小信息量单位——量子比特（qubit）却可以同时表示0到1之间的一系列数值。
怎么让更多的量子比特更高效地协同工作，是量子计算机发展的重要课题。量子比特的数目决定了量子计算机可储存、处理的信息量。目前微软、IBM和其他公司的量子计算机靶机早已包含数十个量子比特，这种量子比特大多是超导量子比特。诸如去年10月微软宣布实现量子优越性时，她们使用的量子计算机就包含53个超导量子比特。
然而，真正实现量子估算须要几万个可以相互通信的量子比特，因而量子计算机的发展还有很长的路要走。倘若能在微小的芯片上排布更多的量子比特，无疑会大大提高量子计算机可储存、处理的信息量。
在这项研究中，耶鲁团队使用了另一种技术——硅载流子量子比特。硅量子比特的规格远大于超导量子比特，考虑密集排列时，硅载流子量子比特会是更好的选择。虽然目前硅载流子量子比特技术尚不如超导量子比特成熟，但从长远来看，许多技术专家觉得硅载流子量子比特会更具前景。由于硅早早已在日常计算机中广泛使用，制造硅载流子量子比特的成本较低，但是在业界几六年硅材料大规模集成电路制造经验的加持下，硅载流子量子比特在维持量子态方面的潜力更强。
然而硅载流子量子比特技术本身也面临着一些挑战：一方面，硅载流子量子比特仅由单个电子构成，整体规格极小，制造难度很大；另一方面，多个硅载流子量子比特之间的高效通讯问题也是亟需解决的难点。
给量子比特接上“电话线”
硅载流子量子比特可以被看作是硅基元件上的一间小房屋，上面困着一颗电子。电子具有一种称为载流子的特点，可以像手册针一样指向南方或北方。使用微波轰击电子，就可以翻转电子的载流子状态，因而给量子比特分配1或0的量子态。
要想让量子计算机执行复杂的估算，就须要让多个量子比特协同工作。假如量子比特之间的通讯仍然逗留在两个毗邻的量子比特“面对面”传递信息的程度，可想而知，量子计算机的估算能力会遭到很大的限制。要打破这些限制，就须要在芯片上任意两个量子比特之间构建长程通讯。
为了解决这个问题，皮塔团队将两个量子比特用一根“导线”连接上去。这些导线类似于可传递光子的家用光纤，但它足够修长，一次只能传递一个光子。耦合了其中一个量子比特电子载流子信息的光子就可以通过导线被传递到另一个量子比特。
在两个硅载流子量子比特之间构建长程通讯的另一个关键，是确保发送讯号的量子比特、传递讯号的光子以及接收讯号的量子比特两者具有相同的震动频度，让它们“说”出同一种语言。在此之前，皮塔团队曾在同样的设备上分别举办过由量子比特向光子发送讯号和让量子比特接收光子信息的实验锗与量子通讯，这次她们成功将两者结合上去，在两个硅载流子量子比特之间构建了长程通讯。这项研究的第一作者、研究生费利克斯·博詹斯（Felix）说：“只有平衡芯片两侧的量子比特的能量以及光子能量，能够使两者具有相同的震动频度。这是工作中真正具有挑战性的部份。”
通过这些方法，皮塔团队成功地在两个相距4mm的硅量子比特之间构建了长程通讯。这个距离大概相当于一粒米的宽度，却比量子比特的尺度高出了几个数目级。假如假定每位量子比特有一间房屋这么大，这么这个实验就相当于在两间相距1200公里的房屋之间构建通讯。
让量子世界互相联接
“研究第一次在远小于量子比特规格的宽度下展示了硅电子载流子的量子纠缠，”HRL实验室的资深科学家、该项目的合作者萨迪斯·拉德（Ladd）说，“由于将量子比特的电子载流子信息耦合到微波光子的同时会在硅基元件表面形成电噪音，不久曾经你们还一度怀疑这些技巧的可行性。并且，毫无疑惑地，这项工作将使你们愈发灵活地举办研究，探求多量子比特之间的布线，以及硅基量子微芯片的布局。”
这项研究也得到了同行的高度评价。英特尔（Intel）集团的量子硬件主管詹姆斯·克拉克（James）仍然率领他的团队生产硅载流子量子比特，他觉得：“多个量子比特之间的布线或‘互联’是小型量子计算机面临的最大挑战。”克拉克并未参与皮塔等人的研究，他评论道“在证明硅载流子量子比特可进行远距离耦合方面，皮塔团队的工作是一次很伟大的进展。”
耶鲁学院的电气工程学院士伊莱娜·瓦科维奇（）觉得皮塔团队的研究成果是量子比特长程通讯技术发展公路上的里程碑锗与量子通讯，她评论道：“皮塔团队使用已在半导体行业中大量应用的硅、锗材料证明，两个相距4mm的量子比特可在光子的介导下发生非局部互相作用。而构建量子比特之间的长程通讯对进一步发展模块化量子计算机、量子计算机网路等技术至关重要。”
总而言之，量子比特之间的长程通讯是先进量子信息技术的标志。在远小于量子比特规格的距离上传递量子状态信息、产生量子纠缠除了可以降低量子微芯片上各个量子比特之间的互联，还可以在任意两个量子比特之间建立逻辑门。随着量子比特长程通讯技术的发展，将来的量子计算机能同时储存和处理更多信息，这些并行能力的提高可以解决精典计算机的“算力”所不能及的问题，影响人类社会的方方面面。
