随着量子计算技术的飞速发展,寻找稳定且可操控的量子比特成为实现高性能量子计算机的关键。核自旋以其优异的相干时间和极低的环境干扰而备受关注,然而核自旋之间实现远距离的量子纠缠却是一项巨大的挑战。传统方法多数依赖于通过单个电子自旋与多个核自旋耦合来完成,但该策略不仅限制了系统扩展性,同时难以实现核自旋之间的直接纠缠。最近,一项由斯坦普等科学家发表在Science杂志上的研究突破了这一瓶颈,通过调控电子之间的交换相互作用,实现了核自旋的可扩展纠缠,为核自旋量子计算的发展带来了新的希望。 这项研究的核心在于利用两颗掺杂在硅晶体中的磷原子,每个磷原子核作为一个核自旋量子比特。每个磷原子还结合了一个电子,自旋状态可以被精确操控和测量。
研究人员通过控制两个电子之间的交换相互作用,使得远距离(最长达20纳米)的两个核自旋之间能够间接实现量子门操作,如受控-Z门,从而产生高度纠缠的核自旋态。与依赖共用单一电子耦合的传统模式不同,这种电子交换介导的方式天然具备更好的扩展性,允许构建更大规模的核自旋量子比特网络。 具体而言,研究团队首先通过先进的原子级精度技术将两颗磷原子植入超纯的28硅晶体中,以减少环境杂质对核自旋态的影响。然后利用微波和射频脉冲序列精细调控电子和核自旋,实现核自旋的初始化、操作及读出。通过调整电压控制交换相互作用的强度,电子自旋之间可以表现为耦合或解耦状态,进而调控核自旋间的量子门执行。这种技术手段使得核自旋之间能够展现出贝尔态的纠缠特性,实验中测得的贝尔态保真度达到约76%,纠缠程度通过共轭度(concurrence)量化达到0.67,表现出极佳的量子纠缠质量。
核自旋量子比特相比电子自旋最大的优势在于相干时间极长,甚至在接近室温条件下也能保持高达数分钟到数小时的量子态稳定。这意味着量子信息能够在核自旋中被保存较长时间,极大地减缓了量子信息的衰减问题。然而,核自旋之间的相互作用通常较弱,直接耦合极其困难。借助电子交换相互作用的中介作用,不仅有效地桥接了距离较远的核自旋量子比特,也使得量子操作速度大幅提升,达到了可兼顾速度与稳定性的理想平衡。 该研究的意义还在于提升了半导体硅基量子计算机的技术成熟度。硅作为传统半导体产业的核心材料,其工艺体系已经高度优化且具备产业化潜力。
相比于其他量子平台,硅基核自旋量子比特能够更好地兼容现有半导体制造流程,降低技术开发成本,促进早期量子设备的商业化进程。通过调控电子交换实现的核自旋纠缠操作,为构建具有数十甚至上百个核自旋量子比特的系统打开了大门。 除此之外,电子交换介导的核自旋纠缠技术还为量子纠错和量子信息传输提供了新的工具。量子纠错对于任何实用量子计算机都是不可或缺的一环,而核自旋的长相干时间为实现高保真度量子存储奠定基础。有效的核自旋间耦合机制使得多比特纠错码得以实现,从而提升量子计算的容错能力和稳定性。在量子通信领域,远距离的核自旋纠缠也有望协助构建稳定的量子网络节点,实现安全量子信息传递。
当然,尽管取得了突破性的进展,电子交换介导的核自旋纠缠仍面临诸多挑战。首先,如何进一步提高纠缠态的保真度和操控精度,降低环境噪声和设备制造的随机性,仍需要深入研究。其次,随着系统规模增大,复杂度呈指数增长,设计有效的脉冲序列和控制方案变得尤为重要。最后,半导体量子器件的低温运行条件和高灵敏度读出技术也带来了工程实现层面的难题。 展望未来,随着纳米制造技术和量子控制技术的持续进步,预计基于电子交换相互作用的核自旋纠缠方法将不断完善。结合机器学习优化控制序列、开发更高质量的材料和芯片架构,核自旋量子计算平台有望实现数百个量子比特的规模化集成。
此外,跨学科合作以及全栈量子计算技术的发展,也将推动该领域从基础研究向应用落地转变。 总结来看,利用电子交换相互作用实现核自旋之间的可扩展纠缠,标志着核自旋量子比特控制技术迈出了关键一步。该方法不仅突破了传统耦合方式的瓶颈,也为硅基量子计算机的发展提供了切实可行的路线。倘若这些技术能够走向规模化和商业化,将极大地促进量子计算机的实际应用,推动量子信息科学进入一个全新的时代。核自旋量子比特的极长相干时间加上电子交换耦合的高效操控,使得该平台具备实现高性能、高稳定量子计算机的潜力,未来无疑令人期待。 。
