量子计算机新突破：激光技术让量子比特精准连接，未来有何影响？

量子计算机有望在医疗、药物发现和人工智能领域解决复杂问题，其速度将比现今最快的超级计算机快上数百万倍。一个量子计算机网络甚至能加速这些发现的进程。但在此之前，计算机行业需要找到一种可靠的方法，将数十亿个量子比特（qubits）以原子级精度连接起来。

连接量子比特一直是研究界的一大难题。目前的一些方法是通过将整个硅片置于高温快速退火炉中形成量子比特。然而，这些方法形成的量子比特是随机的，来自硅晶格中的缺陷（也称为色心或量子发射体）。如果不知道量子比特在材料中的确切位置，那么要实现一个由连接量子比特组成的量子计算机将非常困难。

不过，现在连接量子比特可能很快就能实现。由劳伦斯伯克利国家实验室（BerkeleyLab）领导的研究团队表示，他们首次使用飞秒激光，通过掺杂氢来创建和“消除”量子比特，并且可以按需精确地进行。这一进展可能使得使用可编程光学量子比特或“自旋光子量子比特”的量子计算机能够连接远程网络中的量子节点。这也可能推进一个不仅更安全而且能够传输比当前光纤信息技术更多数据的量子互联网。

图释：艺术描绘了一种使用超快激光脉冲（飞秒或千分之一秒）在硅的特定位置创建高质量色中心（量子比特）的新方法。右上角的插图显示了来自量子比特的实验观察到的光信号（光致发光），其结构显示在底部。图片来源：KaushalyaJhuria/伯克利实验室

“为了构建一个可扩展的量子架构或网络，我们需要能够按需、在期望的位置可靠地形成量子比特，这样我们就知道量子比特在材料中的位置。这就是我们的方法至关重要的原因，”伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的博士后学者KaushalyaJhuria说道。她是描述这一技术的《自然通讯》期刊新研究的第一作者。“因为一旦我们知道特定量子比特的位置，我们就可以确定如何将这个量子比特与系统中的其他组件连接起来，构建一个量子网络。”

“这可能为行业克服量子比特制造和质量控制的挑战开辟了一个新的潜在途径，”伯克利实验室ATAP部门融合科学与离子束技术项目的负责人、首席研究员ThomasSchenkel说道。他的团队将在6月接待来自夏威夷大学的第一批学生，这些学生将沉浸在色心/量子比特科学和技术中。

这个新方法使用气体环境在硅中形成可编程缺陷，称为“色心”。这些色心是特殊电信量子比特或“自旋光子量子比特”的候选者。该方法还使用超快飞秒激光以精确到尘埃大小的目标点对硅进行退火。飞秒激光在一千万亿分之一秒内向一个聚焦目标发射非常短的能量脉冲。

图释：KaushalyaJhuria在实验室中测试用于在硅中制造量子比特的实验装置中的电子设备。图片来源：ThorSwift/伯克利实验室

自旋光子量子比特能够发射光子，这些光子可以携带编码在电子自旋中的信息，跨越长距离——这些理想特性支持一个安全的量子网络。量子比特是量子信息系统中最小的组件，它在三个不同的状态中编码数据：1、0或介于1和0之间的叠加状态。

在伯克利实验室材料科学部门的教师科学家、加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学（EECS）教授BoubacarKanté的帮助下，团队使用近红外探测器通过探测它们的光学（光致发光）信号来表征形成的色心。

他们发现了一种称为Ci中心的量子发射体。由于其简单的结构、在室温下的稳定性以及有前途的自旋特性，Ci中心是一个有趣的自旋光子量子比特候选者，能够在电信频段发射光子。“我们从文献中知道Ci可以在硅中形成，但我们没想到能够用我们的方法实际制造出这个新的自旋光子量子比特候选者，”Jhuria说道。

这一研究成果可能为未来量子计算机的发展提供了新的方向。

来自：科学剃刀