《科學(xué)》重磅：電子交換介導(dǎo)的核自旋糾纏

構(gòu)建真正可擴展的量子計算機，關(guān)鍵在于開發(fā)出強大且可控的量子比特，并能在一個大規(guī)模的架構(gòu)中實現(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的相干時間而被視為理想的量子比特。然而，正是這種“隔絕”賦予了它們長壽的特性，也帶來了最主要的障礙：核自旋之間固有的相互作用極弱。最近，發(fā)表在《科學(xué)》上一項名為“電子交換介導(dǎo)的核自旋可擴展糾纏”的突破性進展，提供了一個強有力的解決方案，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。

隔離性：核自旋量子計算的固有挑戰(zhàn)

量子計算機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，它們又必須彼此強耦合，才能實現(xiàn)量子計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。兩個相隔僅 1 nm 的磷原子核，其耦合強度僅約為 10 Hz。這種微小的相互作用使得直接的兩比特門操作變得不切實際，因此必須依賴更強大的機制來介導(dǎo)糾纏。

早期在半導(dǎo)體中進行的核自旋糾纏演示，通常是通過將多個原子核耦合到一個共同的電子上來解決這個問題的。電子充當(dāng)“量子總線”，其波函數(shù)在空間中擴展，通過超精細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現(xiàn)了糾纏，但在本質(zhì)上不可擴展。隨著包含的原子核數(shù)量增加，共享電子的能譜會變得指數(shù)級密集，使得單獨尋址和控制每個核自旋量子比特變得不可能。這種“譜線擁擠”現(xiàn)象嚴(yán)格限制了單個電子所能控制的量子比特數(shù)量，從而阻礙了通往大規(guī)模量子計算機的道路。

電子交換機制：可擴展性的核心

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

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

1. 電子-核耦合：每個核自旋通過超精細相互作用與自身獨立的、局域的電子自旋 強耦合。這種強大的局域相互作用實現(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：兩個電子自旋e?和e?被拉近到足以通過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，通常通過施加到硅器件中金屬柵極上的電壓來調(diào)節(jié)，從而改變兩個電子束縛原子（例如磷供體）之間的勢壘。
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。實驗實現(xiàn)了一個核兩比特 Controlled-Z (CZ) 門。該門的執(zhí)行依賴于電子的自旋共振頻率取決于兩個原子核的狀態(tài)，而交換相互作用則提供了兩個電子-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達 20 nm 的兩個磷原子核之間產(chǎn)生了真實的糾纏。這一距離是一項重大突破，遠遠超過了單個共同電子波函數(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)在可擴展性的關(guān)鍵，因為它與半導(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、容錯量子計算機的關(guān)鍵一步。

• 釋放核自旋量子比特的潛力

核自旋被廣泛認為是理想的量子存儲器。它們的隔離性提供了分鐘甚至小時級別的相干時間，比它們的電子自旋伙伴（通常是毫秒到秒級）長了幾個數(shù)量級。電子交換機制有效地結(jié)合了兩種自旋系統(tǒng)的最佳特性：核自旋的長相干時間用于穩(wěn)定數(shù)據(jù)存儲，以及電子自旋的快速、可控相互作用用于實現(xiàn)快速的量子操作和比特間通信。通過利用電子作為快速、可切換和遠距離的“電子電話”來連接遙遠的核量子比特，研究人員掃清了擴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驗實現(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)的核自旋可擴展糾纏”的開發(fā)是固態(tài)量子工程的一次勝利。通過將核自旋的微弱相互作用轉(zhuǎn)化為一種強大、可控且遠距離的耦合機制，研究人員為核自旋量子比特成為未來量子處理器的中堅力量鋪平了一條可靠的道路。這項技術(shù)不僅解決了最相干量子比特平臺之一的關(guān)鍵可擴展性問題，還牢固地將量子計算的發(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。