突破：在两个原子的心脏之间实现量子纠缠

量子纠缠——曾经被阿尔伯特·爱因斯坦斥为“远距离的恐怖动作”——长期以来一直吸引着公众的想象力，甚至让经验丰富的科学家感到困惑。

但对于今天的量子从业者来说，现实更加平凡：纠缠是粒子之间的一种联系，是粒子之间的一种典型特征量子计算机.

尽管这些设备仍处于起步阶段，但纠缠将使它们能够完成经典计算机无法做到的事情，例如更好地模拟分子、药物或催化剂等自然量子系统。

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在今天发表的新研究中科学，我和我的同事们已经演示了量子纠缠在相距约 20 纳米的两个原子核之间。

这可能看起来并不多。但我们使用的方法是一项实用的概念突破，可能有助于使用最精确、最可靠的量子信息存储系统之一来构建量子计算机。

平衡控制与噪音

面临的挑战量子计算机工程师需要平衡两个对立的需求。

脆弱的计算元件必须屏蔽外部干扰和噪声。但与此同时，必须有一种方法可以与它们交互以进行有意义的计算。

这就是为什么有这么多不同类型的硬件仍在争夺第一台运行量子计算机的原因。

有些类型非常适合执行快速作，但会受到噪音的影响。其他的则很好地屏蔽了噪音，但难以作和扩大规模。

让原子核相互通信

我的团队一直在研究一个平台——直到今天——可以放在第二个营地。我们在硅芯片中植入了磷原子，并使用原子核的自旋对量子信息进行编码。

为了构建一台有用的量子计算机，我们需要同时处理许多原子核。但到目前为止，处理多个原子核的唯一方法是将它们放置在固体中非常靠近，在那里它们可以被单个电子包围。

我们通常认为电子远小于原子核。然而，量子物理学告诉我们，它可以在空间中“扩散”，因此它可以同时与多个原子核相互作用。

即便如此，单个电子可以传播的范围还是相当有限的。此外，向同一电子添加更多原子核使得单独控制每个原子核变得非常具有挑战性。

纠缠远程核的电子“电话”

可以说，到目前为止，原子核就像人被放置在隔音室里一样。他们只要都在同一个房间里，就可以互相交谈，而且对话真的很清楚。

但他们听不到外面的任何声音，房间里能容纳的人也只有这么多人。因此，这种对话模式无法扩大。

在我们的新作品中，就好像我们给了人们电话，让他们与其他房间进行通信。每个房间的内部仍然漂亮而安静，但现在我们可以在更多的人之间进行对话，即使他们距离很远。

“电话”是电子。由于它们在空间中扩散的能力，两个电子可以在相当长的距离内相互“接触”。

如果每个电子直接耦合到原子核，原子核就可以通过电子之间的相互作用进行通信。

我们使用电子通道通过一种称为“几何门”的方法在原子核之间产生量子纠缠，我们使用了这种方法几年前对硅中的原子进行高精度量子运算。

现在，我们首次在硅中证明了这种方法可以扩展到连接到同一电子的原子核对之外。

与集成电路配合

在我们的实验中，磷核相隔 20 纳米。如果这看起来仍然很小的距离，那就是：两个磷原子之间的硅原子不到 40 个。

但这也是日常硅晶体管的制造规模。在 20 纳米尺度上创建量子纠缠意味着我们可以将寿命长、屏蔽良好的核自旋量子比特集成到标准硅芯片的现有架构中，例如我们的手机和计算机中的芯片。

未来，我们设想进一步推动纠缠距离，因为电子可以物理移动或挤压成更细长的形状。

我们的最新突破意味着基于电子的量子器件的进展可以应用于使用长寿命核自旋来执行可靠计算的量子计算机的构建。

安德里亚·莫雷洛，量子纳米系统教授，新南威尔士大学悉尼分校

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