一种潜力技术，让量子计算机更可扩展

大数据文摘授权转载自数据实战派

作者：青苹果

提到科幻小说或电影，你可能会情不自禁的联想到一些标志性的画面：外星人、虫洞、超级人工智能……而且，这些技术主题基本离不开一项颇具神秘色彩的技术——量子技术的加持。

回到当前的现实中，尽管现在对超高速量子计算机的研究已跻身于前沿行列，但仍无法将单个处理器连接起来。

近日，一个跨国研究团队致力于研究上述问题，提出了一种利用纳米光子碳化硅（SiC, Silicon Carbide）结构扩展量子计算机的方法。

顾名思义，量子计算机就是按照量子力学的规律进行高速数学和逻辑运算、存储并处理量子信息的计算机。量子计算机的信息处理单元与我们平时使用的计算机不同，它采用的是量子位，可以同时表示 0 和 1。也就是说，如果量子位的个数为 2，则可以同时表示 4 个数；为 3，可以表示 8 个数，以此类推……所以，一次运算可以处理多种不同的情况。

要想理解的更透彻些，或许，我们可以用一个数学领域中的著名问题——旅行推销员问题（TSP, Travel Salesman Problem）来回答，即假设有一个旅行商人要拜访n个城市，他必须选择所要走的路径，限制条件是每个城市只能访问一次，而且最后要回到原来出发的城市。

如果你采用“蛮力”方法选择最优路径，会花费很多的时间成本，而诸如此类计算困难的问题，使用量子计算机就会“化繁为简”。量子计算机早已被证明，在一些特殊问题上比任何传统计算机都具有优势，可以更快、更有效地解决问题。不仅是在 AI 领域，在分子建模、气象预报以及金融建模等领域都可以大放异彩。

谈到这个问题，最具潜力的方案便是协调多个任务优化的较小系统。为了动态连接和随机交互两个系统，光子干涉（photonic interference）不失为一种强有力的方法。

该方法有两大特性：1）与芯片上设备的兼容性好；2）在量子网络中可以实现长距离传播。

目前，量子光学（quantum photonics）商业化的主要障碍之一，仍然是可扩展量子系统的纳米级制造和集成。哪怕是封闭环境中的最小干扰，也会“惊扰”到它们，可见其敏感程度之高。因此，要开发既能用于量子计算又能提供高效光学接口的系统，绝对是一项非比寻常的任务。

最近发表在 Nature Materials 杂志上的这项研究表明，研究团队借助发明的一项技术，成功解决了“如何克服集成障碍”的问题。

该论文标题为“Fabrication and nanophotonic waveguide integration of silicon carbide colour centres with preserved spin-optical coherence”，由一个多国合作团队完成的。

SiC 中的光学可寻址自旋缺陷是量子信息处理的新兴平台，与半导体行业使用的纳米制造工艺和器件控制兼容。

面向大规模量子网络的系统可扩展性所提出的要求是，集成到具有高效自旋-光子界面的纳米光子结构中。然而，自旋光学相干性的退化，在集成纳米光子结构后阻碍了大多数颜色中心平台的潜力。

在文章中，研究团队证明了硅空位中心（VSi, Silicon Vacancy centres）在 SiC 中的注入，不会影响其固有的自旋光学特性。

特别地，团队还展示了注入体中的单个缺陷以及通过反应离子蚀刻（RIE, Reactive Ion Etching）产生的纳米光波导中的几乎寿命受限的光子发射和高自旋相干时间。

此外，文章还利用波导中 VSi 中心的高自旋光学相干性来演示附近核自旋量子位元的受控操作，可以说，这是基于腔量子电动力学实现容错量子信息分布的关键一步。

总体来说，研究人员的方案遵循两步走。

首先，他们选择的量子系统是 SiC 中所谓的 VSi。众所周知，它具有特别强的自旋光学特性。

其次，他们采用温和的处理方法，在这些颜色中心周围制造纳米光波导，起到有效保护主体材料，最大化避免损伤的作用。

“通过该方法，我们可以证明，在纳米光子集成之后，我们的颜色中心保持着出色的自旋光学特性。得益于量子器件的鲁棒性，我们获得了足够的空间，可以在多个核自旋量子位上执行量子门。由于这些自旋显示出非常长的相干时间，因此，它们非常适合实现小型量子计算机”，该项目的负责人、斯图加特大学助理教授弗洛里安·凯泽（Florian Kaiser）说道。

加州大学戴维斯分校助理教授玛丽娜·拉杜拉斯基（Marina Radulaski）说：“在这个项目中，我们探索了奇特的三角形形状的光子器件。考虑到它具备提供可扩展生产所需的多功能性，很显然，这种几何形状具有很强地商业吸引力，但人们对其在高性能量子硬件中的效果却知之甚少。

我们的研究表明，颜色中心发出的光可以通过单一的光学模式进行有效传播，其中颜色中心在整个芯片中携带量子信息。这是将颜色中心与其他光子器件（如纳米腔、光纤和单光子探测器）集成的关键结论，这些器件需要实现量子网络和计算的全部功能。”

SiC 平台特别有趣的地方在于，互补金属氧化物半导体（CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor）的兼容性，以及作为高功率半导体在电迁移率中的大量使用。

研究人员殷切地希望，可以从上述两方面受到启发，以利用自旋光子芯片的可扩展生产，并且尽可能实现半导体电路，以电初始化和读出自旋量子位的量子态。

“最大限度地利用电气控制（而不是传统的激光光学控制），是实现系统简化的关键一步。高效的纳米光子学与电气控制的结合，使得我们能够可靠地将更多的量子系统集成在一块芯片上，这无疑会显著的提升性能。”

Florian Kaiser 补充道，“从这个意义上看，我们目前处于以 SiC 为中心的量子技术的黎明。我们所研发成功的纳米光子集成技术不仅为分布式量子计算提供了令人兴奋的支撑，还可以提升紧凑型量子传感器的性能。”

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