《半导体芯科技》

照片版权所有：普林斯顿大学David Zajac

普林斯顿大学研究人员领导的团队用最常见的材料硅，创造了一个制造量子计算机的重要组成元件。研究人员演示了控制两个基于硅的量子比特行为的能力，为制造复杂的多量子比特器件铺平了道路，而且使用的是比其他方法更便宜和更容易制造的技术。

使用日常材料制造量子计算机是其重要的进步，普林斯顿大学的研究人员所领导的团队最近构建了一个关键的硅硬件，能够以极高的精度控制两个电子之间的量子行为。该研究于2017年12月发表在《科学》杂志上。

该团队构建了一个控制电子之间相互作用的栅极，使其能够充当量子计算所需的信息量子位或量子比特。这种几乎无差错的双量子比特栅极的演示，是用硅构建更复杂的量子计算设备的重要早期步骤，硅是与传统计算机和智能手机中所使用的材料完全相同。普林斯顿大学物理系教授Jason Petta说：“我们知道，如果基于硅的技术在扩大规模和建造量子计算机方面具有前景，我们需要让这个实验得以实现。这种高保真的双量子比特栅为更大规模的实验打开了大门。”

与实现量子计算机的其他技术相比，基于硅的设备可能更便宜并且更容易制造。虽然其他研究团体和公司已经宣布量子设备包含50或更多量子比特，但这些系统需要特殊材料，如超导体或通过激光器锁定的带电原子。

量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题。这些设备可能能够计算极大数量或找到解决复杂问题的最佳解决方案。它们还可以帮助研究人员了解极小粒子（如原子和分子）的物理特性，从而在材料科学和药物开发等领域取得进展。

双量子比特硅基栅极由硅（Si）层中的两个电子（带箭头的蓝色球）组成。通过氧化铝（Al₂O₃）线（红色和绿色）施加电压，研究人员捕获电子并诱导量子行为，将其自旋特性转换为信息量子位或量子比特。左边的图像显示了该器件的扫描电子显微照片，其大约为200纳米（nm）。右侧的图像是器件侧面的示意图。图片来源Science/AAAS。

构建量子计算机需要研究人员创建量子比特并以高保真度将其相互耦合。基于硅的量子器件使用电子称为“自旋”的量子特性来编码信息。自旋可以以类似于磁体的北极和南极的方式指向朝上或朝下。与之相反，传统计算机通过操纵电子的负电荷来工作。对于实现高性能，基于自旋的量子器件受到自旋状态脆弱性的阻碍——它们很容易从上到下翻转，反之亦然，除非它们可以被隔离到非常单纯的环境中。普林斯顿量子器件纳米加工实验室的量子器件研究人员通过构建硅量子器件，能够在相对较长的时间内保持自旋的相干性——即保持其量子态。

为了构建双量子比特栅极，研究人员将非常细的铝线分层连接到高度有序的硅晶体上。这些导线提供的电压能够捕获两个通过电子势垒隔开的单个电子，它们位于量子阱状的结构中称为双量子点。

通过短暂降低能垒，研究人员允许电子共享量子信息，形成一种称为纠缠的特殊量子态。这些捕获和纠缠的电子现在可以用作量子比特了，这就像传统的计算机比特一样，但是有着超级能力：传统的比特位可以表示0或1，而每个量子比特可以同时为0和1，从而大大扩展了可以立即比较的可能排列的数量。普林斯顿大学物理系研究生，该研究的第一作者David Zajac说：“我们面临的挑战是，建造小到足以捕获和控制单个电子，而且又不会破坏其长存储时间的人造结构，这是非常困难的。这是硅中两个电子自旋之间纠缠的首次演示，这是已知能够为电子和状态提供最干净环境的材料之一了。”

研究人员展示他们可以使用第一个量子比特来控制第二个量子比特，表示该结构起到了受控NOT（CNOT）门的作用，这是常用计算机电路元件的量子版本。研究人员通过施加磁场来控制第一个量子比特的行为。栅极根据第一个量子比特的状态产生结果：如果第一个自旋朝向为上，那么第二个量子比特的自旋将会翻转；但如果第一个自旋朝向为下，第二个自旋将不会翻转。

“如果另一个粒子处于特定的配置状态，那么栅极基本上来水就是只会对一个粒子做一些事情，”Petta说。“一个粒子发生什么取决于另一个粒子。”研究人员表明，他们可以保持电子自旋的量子态，保真度超过99％，并且栅极可以可靠地工作，能够以约75％的几率翻转第二个量子比特的旋转。据研究人员称，该技术有可能以更低的误码率扩展到更多的量子比特上。

加州大学洛杉矶分校物理与天文学教授Hongwen Jiang表示：“这项研究在全球竞争中脱颖而出，展示了硅基量子比特中用于量子计算的基本构建模块CNOT门。两量子比特操作的误码率是明确无疑的基准测试。特别令人印象深刻的是，这是一个非常困难的实验，需要精密的器件制造和精确的量子态控制，而这却是在一个仅有少数研究人员组成的大学实验室中完成的。”普林斯顿大学的其他研究人员是研究生Felix Borjans和副研究员Anthony Sigillito。该团队还包括了Jacob Taylor在理论方面工作的投入，Jacob Taylor是国家标准与技术研究所和马里兰大学联合量子研究所和量子信息与计算机科学联合中心的教授，此外还有德国康斯坦茨大学的Maximilian Russ和Guido Burkard。

该研究由美国陆军研究办公室的W911NF-15-1-0149项目，戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS计划GBMF4535项目和国家科学基金会的DMR-1409556项目来赞助。器件是在普林斯顿大学量子器件纳米加工实验室制造。

David M. Zajac，Anthony J. Sigillito，Maximilian Russ，Felix Borjans，Jacob M. Taylor，Guido Burkard和Jason R. Petta撰写的研究报告“共振驱动电子自旋CNOT门（Resonantly drives CNOT gate for electon spins）”2017年12月7日在线发表在《科学》杂志上。