量子比特隔空傳情？用“慢光”造就未來芯片，量子計(jì)算迎來新突破

量子計(jì)算，這個(gè)代表著未來科技方向的前沿領(lǐng)域，每一步進(jìn)展都引人注目。但它也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其中最核心的一個(gè)，就是如何讓那些極度敏感的量子比特在芯片上“親密無間”地保持聯(lián)系，也就是我們常說的“糾纏”。通常，量子比特之間的糾纏非常脆弱，一旦距離稍遠(yuǎn)，這種神秘的連接就會(huì)斷開。然而，一項(xiàng)由多國(guó)科學(xué)家合作完成的最新研究，提出了一種顛覆性的解決方案：他們?cè)O(shè)計(jì)了一種特殊的芯片，能讓光在其中幾乎靜止下來，而當(dāng)光“靜止”時(shí)，原本遙遠(yuǎn)的量子比特就能像近鄰一樣，輕松地進(jìn)行“對(duì)話”。

這項(xiàng)研究的成果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志上。科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的“光子芯片”，它能讓光線在其中以一種極其緩慢、近乎靜止的狀態(tài)行進(jìn)。在普通材料中，光像海浪一樣有波峰和波谷，不斷向前涌動(dòng)。但在這種芯片里，光的場(chǎng)變得非常均勻，波的“相位”幾乎被抹平了。而當(dāng)相位變得平坦時(shí)，一個(gè)奇特的物理現(xiàn)象就出現(xiàn)了：物理上相隔一段距離的光發(fā)射器，在光學(xué)上卻變得“近在咫尺”。這種奇異的物理學(xué)原理，讓量子比特之間的糾纏連接能夠跨越超過12.5微米的距離，這個(gè)長(zhǎng)度大約是自由空間中17個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。對(duì)于片上量子硬件而言，這可是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

這項(xiàng)技術(shù)之所以能取得如此突破，關(guān)鍵在于科學(xué)家們使用了所謂的“近零折射率”介質(zhì)。通俗來說，就是一種能把光的傳播速度降到幾乎為零的特殊材料。之前的類似研究也曾嘗試過類似方法，但往往因?yàn)榻饘俨牧系母邠p耗而失敗。而這次，研究團(tuán)隊(duì)聰明地使用了全介電質(zhì)（不導(dǎo)電的材料）來構(gòu)建芯片，成功避開了高損耗問題，同時(shí)還確保光可以被有效地導(dǎo)入和導(dǎo)出。這種設(shè)計(jì)不僅解決了理論上的難題，更重要的是，它將工程實(shí)踐中的考量也一并納入了進(jìn)來。比如，這個(gè)新平臺(tái)對(duì)量子比特的精確位置要求大大降低，這對(duì)于實(shí)際的芯片制造來說，簡(jiǎn)直是解決了工程師們的一大心病。

科學(xué)家們?cè)谀M中驗(yàn)證了這項(xiàng)設(shè)計(jì)的有效性。他們通過計(jì)算，展示了量子糾纏的持續(xù)性，在某些情況下可以比自由空間中長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著，如果這項(xiàng)技術(shù)能被成功應(yīng)用，未來的量子芯片設(shè)計(jì)將不再需要把所有量子比特緊密地?cái)D在一起。這不僅能簡(jiǎn)化芯片的布局，降低制造難度，還能為設(shè)計(jì)更復(fù)雜的量子算法，比如構(gòu)建集群狀態(tài)，提供更大的自由度。此外，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也大有裨益，它能讓量子信號(hào)在中繼站之間的傳輸距離更長(zhǎng)，為可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。

當(dāng)然，目前這項(xiàng)工作還停留在理論和數(shù)值模擬階段。下一步，科學(xué)家們必須在實(shí)驗(yàn)室中制造出真正的設(shè)備，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以確認(rèn)這些令人振奮的模擬數(shù)據(jù)在現(xiàn)實(shí)中是否同樣有效。但這無疑是量子科技邁出的重要一步，它利用一種我們平時(shí)無法想象的物理現(xiàn)象，為量子計(jì)算的核心難題提供了一個(gè)全新的解決方案。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果如預(yù)期般樂觀，那么我們可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的未來，我們將看到一大批量子芯片涌現(xiàn)，光在其中幾乎靜止，但量子世界的運(yùn)轉(zhuǎn)卻突然變得清晰、順暢起來。

參考資料：DOI：10.1038/s41377-025-01994-9