遠距離量子信息交換——納米級的成功

在哥本哈根大學尼爾斯波爾研究所，研究人員已經實現了遠距離量子點之間電子自旋的交換。這一發現使我們離量子信息的未來應用又近了一步，因爲微小的點必須在微芯片上留下足夠的空間來放置精密的控制電極。點與點之間的距離現在已經足夠大，可以與傳統微電子學集成，或許還可以與未來的量子計算機集成。

尺寸在量子信息交換中起着重要作用，甚至在納米尺度上也是如此。量子信息可以通過電子自旋態存儲和交換。電子的電荷可以由閘極電壓脈衝控制，而閘極電壓脈衝也控制電子的自旋。人們認爲這種方法只有在量子點相互接觸的情況下才可行;如果擠得太近，自旋的反應就會太劇烈;如果離得太遠，自旋的相互作用就會太慢。這就造成了一個兩難的境地，因爲如果量子計算機想要看到曙光，我們既需要快速的自旋交換，也需要量子點周圍有足夠的空間來容納脈衝柵電極。

通常情況下，量子點線性陣列中的左右點距離太遠，無法相互交換量子信息。澳大利亞悉尼新南威爾士大學的博士後Frederico Martins解釋說:“我們在電子的自旋狀態中編碼量子信息，電子的自旋狀態有一個理想的特性，那就是它們不會與嘈雜的環境產生太多的相互作用，這使得它們可以作爲強大而長壽的量子記憶。”但當你想積極地處理量子信息時，缺乏相互作用反而會適得其反——因爲現在你想讓自旋相互作用!”要做什麼嗎?你不可能同時擁有長壽的信息和信息交換——至少看起來是這樣。“我們發現，通過在左點和右點之間放置一個大而長的量子點，它可以在十億分之一秒內協調自旋態的相干交換，而不需要將電子移出它們的點。換句話說，我們現在既有快速的相互作用，又有脈衝門電極所需的空間，”尼爾斯玻爾研究所(Niels Bohr Institute)副教授費迪南德•庫梅斯(Ferdinand Kuemmeth)表示。

無論是在內部還是外部，協作都是絕對必要的。具有不同專業知識的研究人員之間的合作是成功的關鍵。內部協作不斷提高納米制造過程的可靠性和低溫技術的複雜性。事實上，在量子器件中心，固態量子計算機實現的主要競爭者目前正在進行激烈的研究，即半導體自旋量子比特、超導門量子比特和拓撲馬約納量子比特。

所有這些都是電壓控制的量子位元，讓研究人員可以分享技巧，一起解決技術難題。但是Kuemmeth很快補充說:“如果我們一開始就不能獲得非常乾淨的半導體晶體，所有這些都將是徒勞的。”材料工程學教授邁克爾•曼弗拉(Michael Manfra)對此表示贊同:“普渡大學在理解導致量子點安靜穩定的機制方面做了大量工作。很高興看到這項工作爲哥本哈根的新量子比特帶來好處。”

這一發現的理論框架由澳大利亞悉尼大學提供。悉尼大學(University of Sydney)量子物理學教授斯蒂芬•巴特利特(Stephen Bartlett)表示:“作爲一名理論家，我對這一結果感到興奮的是，它讓我們擺脫了量子比特只依賴其近鄰的幾何約束。”他的團隊進行了詳細的計算，爲這一違反直覺的發現提供了量子力學解釋。

總之，快速自旋交換的演示不僅是一項了不起的科學和技術成就，而且可能對固態量子計算機的體系結構產生深遠的影響。原因在於距離:“如果非相鄰量子位元之間的自旋可以控制地交換，這將允許網絡的實現，其中增加的量子位元與量子位元的連通性轉化爲顯著增加的計算量子量，”Kuemmeth預測。