常规电子设备也能集成量子系统？芝加哥大学新突破登上《Science》

2019 年 12 月 14 日 机器之心

机器之心报道

参与：李泽南

芝加哥大学近日发表在《Science》及其子刊上的两篇论文探索了量子技术的全新发展方向。论文表明，量子态可以在由碳化硅制成的电子设备上使用常规方法集成和控制，而且可以解决量子技术领域中一个非常普遍的问题：噪声。

或许在不远的未来，我们无需使用特殊超导材料，在已有电子设备上就可以享受量子技术带来的通信和计算能力了。

量子计算或许是未来高性能计算最有潜力的道路，但直到今天，人们很大程度上仍然无法将其实用化。科学家们一直难以找到一种现实的方法利用量子计算理论中的强大能力。

人们通常认为，量子计算机需要在原子层面控制粒子的量子状态，过程非常复杂，所以无法在我们今天日常使用的手机、笔记本电脑等电子设备上应用。但最近，芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院的科学家们宣布了一个重大科研突破： 量子态可以在由碳化硅制成的电子设备上使用常规方法集成和控制。

谷歌 Sycamore 量子计算芯片在低温恒温器中的艺术加工图；右：Sycamore 芯片。

碳化硅（SiC）俗称金刚砂，已被人们广泛应用于半导体电子设备中，如 LED 灯、望远镜。而目前很多科学家正在使用的量子计算系统必须基于低温超导材料，其中就包括 10 月登上《Nature》封面的谷歌「首次实现量子优越性」研究。

「在商用电子设备中创造和控制高性能量子比特的能力令人惊讶，」芝加哥大学分子工程教授，首席研究员 David Awschalom 说道。「这些发现改变了我们对于量子技术的思考方式——或许我们可以找到使用现有电子产品构建量子设备的新方法。」

（图中从左至右）Kevin Miao、Chris Anderson、Alexandre Bourassa 在芝加哥大学 Pritzker 工程院。

在最近发表在《Science》与《Science Advances》的两篇论文上，Awschalom 的小组证明了人类可以控制嵌入在碳化硅芯片中的量子态。与以往科学家们需要寻找超导材料、悬浮原子或钻石的方法相比， 新的突破或许提供了一条更轻松地设计和构建量子电路的方法。

碳化硅中的量子态还具有 发射波长接近电信频段光粒子 的额外好处。「这使得它们更适合通过同一光纤网络进行长距离信息传输，目前这种网络已经承担了全球国际数据传输 90% 的流量，」Awschalom 说道。

除此之外，在与已有电子设备共同使用时，这些轻质颗粒还能获得一些令人兴奋的新特性。例如在《Science Advances》论文《Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide》中，科学家们可以构建「量子收音机」，与汽车上搭载的普通收音机一样，量子信息可以在非常长的距离之内传递。

「新的理论表明，为了在一种材料中实现很好的量子比特控制，它应该是纯净的并且没有波动的场，」论文第一作者，芝加哥大学在读博士 Kevin Miao 说道。「我们的研究结果表明，通过适当的设计，电子设备不仅可以减少杂质，而且还可以实现以前无法想象的控制形式。」

David Awschalom 教授

「这一工作让我们距离基于常规光纤网络，实用化的量子信息存储、分发系统更进了一步。」

——芝加哥大学分子工程学教授 David Awshalom。

而在登上《Science》杂志的论文《Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices》中， 研究人员描述了第二项技术突破，可以解决量子技术领域中一个非常普遍的问题：噪声。

「杂质在所有半导体元器件中都是普遍的存在。在量子尺度上，这些杂质会通过创造嘈杂的电环境来扰乱量子信息，」论文共同一作、芝加哥大学在读博士 Chris Anderson 介绍道。「对于量子技术来说，这是一个普遍的问题。」

但是，通过电子设备的基本要素之一——二极管（电子单向开关），研究小组发现了另一个出人预料的结果： 量子信号可以突然变得无噪声，而且几乎完全稳定。

「在实验中，我们需要使用激光，然而激光会将周围的电子束缚起来。这就像街机上的音乐游戏，当你起身一切就停止了。但必须是在另一种设置下，」论文联合一作 Alexandre Bourassa 说道。「随机配置的电子影响了我们的量子态。我们发现施加电场可以消除系统中的电子，让它变得更加稳定。」

通过结合量子系统特殊的物理性质，以及已经充分发展的传统半导体技术，Awschalom 和他的小组正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。

「这一工作让我们距离基于常规光纤网络，实用化的量子信息存储、分发系统更进了一步。」Awschalom 说道。「这种量子网络将带来新的技术，构建无法被破解的信道，推动单电子态传送和量子互联网的实现。」

参考内容：

https://news.uchicago.edu/story/surprise-breakthrough-scientists-create-quantum-states-everyday-electronics

《Science》论文：

https://science.sciencemag.org/content/366/6470/1225

《Science Advances》论文：

https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay0527

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