新型“触发器”量子比特问世，像电信号一样容易控制

澳大利亚研究人员最近展示了一种新型量子比特的操作，称为“触发器”量子比特，它结合了单个原子的精巧量子特性和普通电脑芯片电信号的易控性。研究成果发表在《科学进展》上。

托管“触发器”量子位的硅纳米电子设备的草图。核自旋（橙色的n）和电子自旋（蓝色的e）相互翻转，始终指向相反的方向。
图片来源：新南威尔士大学

新南威尔士大学研究团队在世界上率先证明，电子的自旋以及硅中单个磷原子的核自旋可用作量子比特。虽然两个量子比特本身都表现得非常好，但它们的运行需要振荡磁场。而磁场很难在单个量子计算机组件的典型纳米尺度上定位。

团队意识到，将量子比特定义为电子和原子核的上下/上下组合方向，将允许仅使用电场来控制这样的量子位。这个新的量子比特被称为“触发器”，因为它由属于同一原子的两个自旋（电子自旋和核自旋）组成，条件是它们总是指向相反的方向。

例如，如果“0”状态是电子向下/原子核向上，“1”状态是电子向上/原子核向下，那么从“0”变为“1”意味着电子“翻转向上”，原子核“翻转向下”。

该理论预测，通过相对于原子核置换电子，可对触发器量子比特的任意量子态进行编程。新研究以完美的准确性证实了这一预测。

最重要的是，这种电子位移是通过向小金属电极施加电压而不是用振荡磁场照射芯片来获得的。其更类似于传统硅计算机中通常路由的电信号类型芯片。

通过从原子核中置换电子来对触发器量子比特进行电气控制，会伴随一个非常重要的现象：当负电荷（电子）远离正电荷（原子核）时，会形成电偶极子；将两个（或更多）电偶极子彼此靠近放置会在它们之间产生强电耦合。这就可调制执行多量子比特逻辑运算。

这些电偶极子不需要相互接触但又相互影响。理论研究表明，200纳米是快速和高保真量子操作的最佳距离。研究人员称，这可能是一个改变游戏规则的进展，其足以允许在量子比特间插入各种控制和读出设备，使处理器更容易连接和操作。

近年来，量子通信领域的大进展和小进步不断，只是大多成果仍处在实验室阶段，离百姓生活还有距离。不过，要有耐心：人工智能领域在沉淀多年之后，推出了ChatGPT这样大受用户欢迎、震惊整个科技界的里程碑式应用。在不远的将来，量子通信领域会不会也酝酿出类似的“杀手锏”级应用，让看似玄妙难懂、遥不可及的量子比特飞入寻常百姓家？这是很有可能的。