《科學(xué)》重磅：電子交換介導(dǎo)的核自旋糾纏

構(gòu)建真正可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大且可控的量子比特，并能在一個(gè)大規(guī)模的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)它們的糾纏。在眾多候選方案中，固態(tài)中的核自旋因其超長(zhǎng)的相干時(shí)間而被視為理想的量子比特。然而，正是這種“隔絕”賦予了它們長(zhǎng)壽的特性，也帶來(lái)了最主要的障礙：核自旋之間固有的相互作用極弱。最近，發(fā)表在《科學(xué)》上一項(xiàng)名為“電子交換介導(dǎo)的核自旋可擴(kuò)展糾纏”的突破性進(jìn)展，提供了一個(gè)強(qiáng)有力的解決方案，將核自旋孤立的難題轉(zhuǎn)化為構(gòu)建新一代量子處理器的平臺(tái)。

隔離性：核自旋量子計(jì)算的固有挑戰(zhàn)

量子計(jì)算機(jī)中的量子比特需要滿足一種微妙的平衡：它們必須與嘈雜的環(huán)境隔離，以保持其脆弱的量子相干性；但同時(shí)，它們又必須彼此強(qiáng)耦合，才能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算所必需的糾纏操作。像硅中磷原子核自旋這樣的核自旋就是這一矛盾的典型代表。

核自旋之間的磁偶極-偶極耦合極其微弱。兩個(gè)相隔僅 1 nm 的磷原子核，其耦合強(qiáng)度僅約為 10 Hz。這種微小的相互作用使得直接的兩比特門(mén)操作變得不切實(shí)際，因此必須依賴更強(qiáng)大的機(jī)制來(lái)介導(dǎo)糾纏。

早期在半導(dǎo)體中進(jìn)行的核自旋糾纏演示，通常是通過(guò)將多個(gè)原子核耦合到一個(gè)共同的電子上來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。電子充當(dāng)“量子總線”，其波函數(shù)在空間中擴(kuò)展，通過(guò)超精細(xì)相互作用與附近的原子核發(fā)生相互作用。這種方法雖然成功實(shí)現(xiàn)了糾纏，但在本質(zhì)上不可擴(kuò)展。隨著包含的原子核數(shù)量增加，共享電子的能譜會(huì)變得指數(shù)級(jí)密集，使得單獨(dú)尋址和控制每個(gè)核自旋量子比特變得不可能。這種“譜線擁擠”現(xiàn)象嚴(yán)格限制了單個(gè)電子所能控制的量子比特?cái)?shù)量，從而阻礙了通往大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的道路。

電子交換機(jī)制：可擴(kuò)展性的核心

實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性的關(guān)鍵在于引入多個(gè)電子作為中介，有效地為原子核創(chuàng)建了一個(gè)由電子介導(dǎo)的通信網(wǎng)絡(luò)。最近實(shí)驗(yàn)證明的“電子交換介導(dǎo)的核自旋可擴(kuò)展糾纏”方案，在一個(gè)固態(tài)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了這一概念。

核心機(jī)制涉及三個(gè)相互連接的量子系統(tǒng)：兩個(gè)核自旋量子比特n?和n?，以及它們各自束縛的電子e?和e?。該過(guò)程如下：

1. 電子-核耦合：每個(gè)核自旋通過(guò)超精細(xì)相互作用與自身獨(dú)立的、局域的電子自旋 強(qiáng)耦合。這種強(qiáng)大的局域相互作用實(shí)現(xiàn)了量子信息和控制在穩(wěn)定核自旋和快速作用的電子伙伴之間的高保真度傳輸。
2. 電子-電子耦合：兩個(gè)電子自旋e?和e?被拉近到足以通過(guò)海森堡交換相互作用 (J) 發(fā)生相互作用。這種相互作用是高度可控的，通常通過(guò)施加到硅器件中金屬柵極上的電壓來(lái)調(diào)節(jié)，從而改變兩個(gè)電子束縛原子（例如磷供體）之間的勢(shì)壘。
3. 介導(dǎo)核糾纏：隨后，在電子上執(zhí)行糾纏量子邏輯操作，這種相互作用被有效地傳遞給原子核。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)核兩比特 Controlled-Z (CZ) 門(mén)。該門(mén)的執(zhí)行依賴于電子的自旋共振頻率取決于兩個(gè)原子核的狀態(tài)，而交換相互作用則提供了兩個(gè)電子-核系統(tǒng)之間必要的耦合。

至關(guān)重要的是，該方法在硅器件中成功地在相隔遠(yuǎn)達(dá) 20 nm 的兩個(gè)磷原子核之間產(chǎn)生了真實(shí)的糾纏。這一距離是一項(xiàng)重大突破，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了單個(gè)共同電子波函數(shù)尺寸所限制的 1-5 nm 范圍。能夠在如此大的、與晶體管尺寸兼容的距離上耦合量子比特，正是該方案具備內(nèi)在可擴(kuò)展性的關(guān)鍵，因?yàn)樗c半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)有的納米制造技術(shù)相兼容。

意義與未來(lái)展望

電子交換介導(dǎo)的核自旋糾纏的成功演示，標(biāo)志著構(gòu)建大規(guī)模、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一步。

• 釋放核自旋量子比特的潛力

核自旋被廣泛認(rèn)為是理想的量子存儲(chǔ)器。它們的隔離性提供了分鐘甚至小時(shí)級(jí)別的相干時(shí)間，比它們的電子自旋伙伴（通常是毫秒到秒級(jí)）長(zhǎng)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。電子交換機(jī)制有效地結(jié)合了兩種自旋系統(tǒng)的最佳特性：核自旋的長(zhǎng)相干時(shí)間用于穩(wěn)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及電子自旋的快速、可控相互作用用于實(shí)現(xiàn)快速的量子操作和比特間通信。通過(guò)利用電子作為快速、可切換和遠(yuǎn)距離的“電子電話”來(lái)連接遙遠(yuǎn)的核量子比特，研究人員掃清了擴(kuò)展硅基核自旋量子處理器面臨的最大障礙。

• 與半導(dǎo)體技術(shù)的集成

該概念在硅金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）器件中的磷供體上的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)尤為重要。硅是現(xiàn)代微電子學(xué)的基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有高度先進(jìn)的制造技術(shù)，可以為工業(yè)規(guī)模的量子芯片制造提供一條更清晰、更直接的途徑。這一技術(shù)突破使得量子微芯片能夠在與標(biāo)準(zhǔn)硅電子器件相同的尺度上制造，充分利用萬(wàn)億美元半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已建立的工藝流程。

總而言之，“電子交換介導(dǎo)的核自旋可擴(kuò)展糾纏”的開(kāi)發(fā)是固態(tài)量子工程的一次勝利。通過(guò)將核自旋的微弱相互作用轉(zhuǎn)化為一種強(qiáng)大、可控且遠(yuǎn)距離的耦合機(jī)制，研究人員為核自旋量子比特成為未來(lái)量子處理器的中堅(jiān)力量鋪平了一條可靠的道路。這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了最相干量子比特平臺(tái)之一的關(guān)鍵可擴(kuò)展性問(wèn)題，還牢固地將量子計(jì)算的發(fā)展植根于硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)龐大而成熟的生態(tài)系統(tǒng)中。