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最新發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究顯示，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在硅量子芯片上實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)量子比特”之間的量子邏輯運(yùn)算，并進(jìn)一步完成芯片內(nèi)部的量子隱形傳態(tài)。這意味著，原本固定不動(dòng)的量子比特如今能夠像信息“快遞員”一樣在芯片中移動(dòng)并交換信息，這為未來構(gòu)建大規(guī)模、可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)提供了新思路。

量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化一直卡在一個(gè)關(guān)鍵難題上：量子比特之間很難靈活、高效地“溝通”。傳統(tǒng)量子芯片中的量子比特通常被固定在特定位置，只能與附近的“鄰居”發(fā)生相互作用。這種限制使得量子芯片一旦規(guī)模擴(kuò)大，信息傳輸就會(huì)變得異常復(fù)雜。

此次團(tuán)隊(duì)提出了一種類似“傳送帶”的新方案，其被稱為“傳送帶模式穿梭”，即利用移動(dòng)電場，在硅芯片中運(yùn)輸電子。由于電子自旋本身就能充當(dāng)量子比特，因此他們實(shí)際上是在“搬運(yùn)”量子信息。

實(shí)驗(yàn)所使用的是一種具有線性量子點(diǎn)陣列的硅器件。量子點(diǎn)可理解為能困住單個(gè)電子的微型“電子陷阱”。團(tuán)隊(duì)先將兩個(gè)電子分別放置在芯片兩端，再通過精確控制金屬柵極電壓，在芯片內(nèi)部形成移動(dòng)的電勢區(qū)域，將電子緩緩送向中央。

當(dāng)兩個(gè)電子足夠接近時(shí)，它們的量子態(tài)便會(huì)相互耦合，從而完成雙量子比特運(yùn)算。之后，再反向施加電信號，把電子送回原位讀取結(jié)果。整個(gè)過程就像兩名攜帶信息的“信使”在芯片中央會(huì)面、交換信息后再各自返回。

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)還演示了量子隱形傳態(tài)。他們先讓兩個(gè)電子形成量子糾纏，即建立一種無論距離多遠(yuǎn)都能保持關(guān)聯(lián)的量子連接，隨后再借助這對糾纏電子，將第三個(gè)量子比特的狀態(tài)“傳送”到芯片另一端的電子上。

這種“移動(dòng)量子比特”架構(gòu)有望成為未來大規(guī)模半導(dǎo)體量子處理器的重要基礎(chǔ)。理論上還能兼容現(xiàn)有芯片工業(yè)的生產(chǎn)工藝，為未來量子芯片的大規(guī)模制造鋪路。不過，距離實(shí)現(xiàn)真正實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)仍有很長的路要走，包括量子態(tài)穩(wěn)定性、誤差控制以及大規(guī)模集成等問題，依舊是該領(lǐng)域需要攻克的挑戰(zhàn)。