量子计算机重大突破：由硅制成的量子可控非门！
导读
美国普林斯顿大学科研人员领导的团队在采用日常材料制造量子计算机的方面取得重要进展。他们制造出由硅制成的关键硬件，以极高的精准度控制两个电子之间的量子行为。
背景
比起实现量子计算机的其他现有技术，硅基设备很可能是廉价而且容易制造的。尽管其他研究小组和公司已经宣布制造出具有50个甚至更多量子位的量子计算设备，但是这些系统需要超常的材料，例如超导体或者通过激光照射处于适当位置的带电原子。
例如前不久笔者刚介绍过的，美国哈佛大学和麻省理工学院的科研团队开发出一种特殊的量子计算机，也称为量子模拟器，用于操作物质的量子位。它可以通过激光捕获超冷的铷原子，控制51个原子或量子位之间的交互，并以特定顺序组织它们，然后利用量子机制展开必要的计算。
（图片来源：Jon Chase/Harvard）
量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题。这些设备能将极大的数字分解为因子，或者找到复杂问题的更优解决方案。它们也可以帮助研究人员理解极小粒子的物理特性，例如原子和分子，为材料科学和药物研发领域带来新进展。
之所以量子计算机却可以胜任非常复杂的计算任务，是因为它拥有“量子位”。普通的经典二进制计算机存储信息用的是：比特位（0和1）。而量子计算机则是通过量子位表示量子信息。
简单说，量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等等）。而关键在于，量子位可能同时处于“即是0和又是1”的状态。
创新
美国普林斯顿大学科研人员领导的团队在采用日常材料制造量子计算机的方面取得重要进展。他们制造出由硅制成的关键硬件，以极高的精准度控制两个电子之间的量子行为。研究发表于12月7日的《科学》杂志。
（图片来源：David Zajac/普林斯顿大学）
技术
团队通过一种让电子作为量子信息比特或者量子位的方式，构建出一种门控制电子之间的交互。这对于量子计算来说很有必要。这种几乎无错的、两个量子位的门，是通过硅材料构建出更加复杂的量子计算设备方面的早期重要进展，目前硅材料已广泛应用于传统的计算机和智能手机。
普林斯顿大学物理系教授 Jason Petta 表示，硅基技术未来将在扩展和构建量子计算机方面起到作用，所以我们需要让这个实验成功。创造出两个量子位的高保真门将为更大规模的实验打开方便之门。
构建量子计算机需要研究人员创造出量子位或者高保真地将它们相互配对。硅基量子设备使用电子的量子特性：“自旋”，编码信息。自旋能以一种类似于磁场南北极的方式指向上方或者下方。相对来说，传统计算机是通过操控电子的负电荷进行工作的。
实现基于自旋的高性能设备一直受到自旋状态脆弱性的限制，它们很容易地朝上或者朝下快速翻转，反之亦然，除非它们处于一个非常纯净的环境中，与外界隔绝开来。通过普林斯顿大学量子设备纳米制造实验构建的硅量子设备，研究人员能够保持自旋相干，也就是说在相对较长时间中，保持它们的量子状态。
研究人员为了构造两个量子位的门，在高度有序的硅晶体上，分层放置微小的铝线。这些线提供可以囚禁两个单独电子的电压，而电子则通过能障隔开，形成像井一样的结构，成为双量子点。
通过临时降低能障，研究人员让电子分享量子信息，创造出特殊的量子状态，称为“纠缠”。这些囚禁和纠缠的电子现已可作为量子位使用。
普林斯顿大学物理系的研究生、论文的首作者 David Zajac 表示，挑战在于构建小到足够囚禁和控制单个电子的结构，而又不会破坏它们漫长的存储时间。这项研究首次展示了硅中两个电子自旋之间的纠缠，硅是一种为电子自旋状态提供最干净的一种环境的材料。研究人员演示他们能够采用第一个量子位控制第二个量子位，这意味着该结构作为一种可控非门 （CNOT），它是普通使用的计算机电子器件的量子版本。研究人员通过施加磁场，控制第一个量子位的行为。这个门制造出基于第一个量子位状态的结果：如果第一个自旋指向上方，第二量子位的自旋将快速翻转；但是如果第一个自旋指向下方，第二个量子位将不会翻转。
（图片来源：Science/AAAS）
Petta 表示，基本上说，如果其他粒子处于特定配置中，这个门将只会对一个粒子起作用，对于一个粒子产生什么作用取决于其他粒子。
价值
研究人员展示了他们可以保持电子自旋的量子态，保真度超过99%。而门的工作依赖于约75%的时间翻转第二个量子位。据研究人员称，这项技术将有极大潜能扩展至更多量子位，并且具有更低的错误率。
加利福尼亚大学洛杉矶分校物理与天文学教授 HongWen Jiang 表示，这项研究代表了在演示CNOT门（硅基量子位中，它是量子计算的基础模块）的全球竞赛中，两个量子位操作的错误率具有明确的标准。这个难度非同寻常的实验让人印象深刻，因为它需要复杂的设备制造技术和精准地控制量子状态，而却在只有几个研究人员组成的大学实验室中完成了。
关键字
参考资料
【1】https://www.princeton.edu/news/2017/12/11/new-silicon-structure-opens-gate-quantum-computers
【2】“Resonantly driven CNOT gate for electron spins,” by David M. Zajac,
Anthony J. Sigillito, Maximilian Russ, Felix Borjans, Jacob M. Taylor,
Guido Burkard and Jason R. Petta was published online in the journal
Science on Dec. 7, 2017. http://dx.
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