远距离量子信息交换——纳米级的成功

远距离量子信息交换——纳米级的成功

在哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所，研究人员已经实现了远距离量子点之间电子自旋的交换。这一发现使我们离量子信息的未来应用又近了一步，因为微小的点必须在微芯片上留下足够的空间来放置精密的控制电极。点与点之间的距离现在已经足够大，可以与传统微电子学集成，或许还可以与未来的量子计算机集成。

尺寸在量子信息交换中起着重要作用，甚至在纳米尺度上也是如此。量子信息可以通过电子自旋态存储和交换。电子的电荷可以由闸极电压脉冲控制，而闸极电压脉冲也控制电子的自旋。人们认为这种方法只有在量子点相互接触的情况下才可行如果挤得太近，自旋的反应就会太剧烈如果离得太远，自旋的相互作用就会太慢。这就造成了一个两难的境地，因为如果量子计算机想要看到曙光，我们既需要快速的自旋交换，也需要量子点周围有足够的空间来容纳脉冲栅电极。

通常情况下，量子点线性阵列中的左右点距离太远，无法相互交换量子信息。澳大利亚悉尼新南威尔士大学的博士后Frederico Martins解释说:“我们在电子的自旋状态中编码量子信息，电子的自旋状态有一个理想的特性，那就是它们不会与嘈杂的环境产生太多的相互作用，这使得它们可以作为强大而长寿的量子记忆。”但当你想积极地处理量子信息时，缺乏相互作用反而会适得其反——因为现在你想让自旋相互作用!”要做什么吗?你不可能同时拥有长寿的信息和信息交换——至少看起来是这样。“我们发现，通过在左点和右点之间放置一个大而长的量子点，它可以在十亿分之一秒内协调自旋态的相干交换，而不需要将电子移出它们的点。换句话说，我们现在既有快速的相互作用，又有脉冲门电极所需的空间，”尼尔斯玻尔研究所(Niels Bohr Institute)副教授费迪南德•库梅斯(Ferdinand Kuemmeth)表示。

无论是在内部还是外部，协作都是绝对必要的。具有不同专业知识的研究人员之间的合作是成功的关键。内部协作不断提高纳米制造过程的可靠性和低温技术的复杂性。事实上，在量子器件中心，固态量子计算机实现的主要竞争者目前正在进行激烈的研究，即半导体自旋量子比特、超导门量子比特和拓扑马约纳量子比特。

所有这些都是电压控制的量子位元，让研究人员可以分享技巧，一起解决技术难题。但是Kuemmeth很快补充说:“如果我们一开始就不能获得非常干净的半导体晶体，所有这些都将是徒劳的。”材料工程学教授迈克尔•曼弗拉(Michael Manfra)对此表示赞同:“普渡大学在理解导致量子点安静稳定的机制方面做了大量工作。很高兴看到这项工作为哥本哈根的新量子比特带来好处。”

这一发现的理论框架由澳大利亚悉尼大学提供。悉尼大学(University of Sydney)量子物理学教授斯蒂芬•巴特利特(Stephen Bartlett)表示:“作为一名理论家，我对这一结果感到兴奋的是，它让我们摆脱了量子比特只依赖其近邻的几何约束。”他的团队进行了详细的计算，为这一违反直觉的发现提供了量子力学解释。

总之，快速自旋交换的演示不仅是一项了不起的科学和技术成就，而且可能对固态量子计算机的体系结构产生深远的影响。原因在于距离:“如果非相邻量子位元之间的自旋可以控制地交换，这将允许网络的实现，其中增加的量子位元与量子位元的连通性转化为显著增加的计算量子量，”Kuemmeth预测。

文/仁龙巴

还记得扎克伯格给出生不到一个月的女儿讲量子力学的照片吗？记不清是哪一年的事了，但那段时间着实带火了一套书。

这套书的作者是悉尼大学研究量子力学的博士后Chris Ferrie，白天泡实验室，晚上带娃，除了扎克伯格手中的《宝宝量子力学》，还有《宝宝量子信息》、《宝宝量子纠缠》……当初Dr.Ferrie出书的目的是给孩子们启蒙，用浅显的语言和有趣的图画，深入浅出地讲授科学知识。

但我这次介绍的书并不是Dr.Ferrie的书，因为那时候我家宝宝已经不是婴幼儿了，但越炒越热的量子力学勾起了我心中的好奇，于是入手了一套著名物理学家李淼写给孩子的量子力学普及读物——《给孩子讲量子力学》。这本书在豆瓣的评分为8.1分。

李淼是中山大学天文与空间科学研究院院长，82年从北大天体物理专业毕业，怀着对物理学的热爱又在中国科技大学读了硕士，然后在丹麦哥本哈根大学波尔研究所学习，获得哲学博士。波尔研究所，没错，就是著名的物理学家，诺贝奖获得者尼尔斯·波尔。

单冲李淼院长的求学经历就特别适合和孩子共读此书。真正热爱一个专业，然后努力向更高的目标获取知识，和专业领域中顶级的老师同学们在一起学习该是一件多么幸福的事！说不定，孩子们会在潜移默化中播撒下理想的种子呢？

实不相瞒，当我看完这本《给孩子讲量子力学》之后，马上变成李淼院长的迷妹一枚，这本书实在是太太太有趣了！

这本书分为四个部分：量子世界是什么样的、物质为何能保持稳定、量子力学有什么用、量子计算机和人类大脑。关于量子力学究竟是什么，我不打算介绍，大家可以自己去看书，我感保证，你一定会看的津津有味。

我只想重点说说为什么读这本书会感到如此愉悦。

如果说这本书是介绍量子力学的知识，倒不如说是介绍量子力学届的各位大咖。

李淼院长用诸多科学家的研究成果，轻松幽默地“带货”量子力学的诞生和发展。从牛顿的三大定律和万有引力开始，到拉普拉斯的决定论（如果知道某一时刻所有物体的运动状态，就能知道未来发生的一切），再到玻尔兹曼的统计力学，之后是“量子论之父”普朗克，还有世人皆知的爱因斯坦狭义相对论，然后是作者求学的波尔研究所的鼻祖波尔，到发现量子力学的不确定性原理的海森堡。这些只是第一部分“量子世界是什么样的”提到的科学家。

后面章节中，还有卢瑟福、泡利、费米、戴森（对，就是那个神秘的戴森球，寻找外星超级文明的“探测器”），到发明激光的汤斯，发明二极管的三位日本人以及发明晶体管的三位科学家，之后是著名的摩尔定律提出者也是英特尔公司创始人的摩尔，到第四部分提到计算机之父图灵、以及有段时间大家津津乐道的“薛定谔的猫”的提出者薛定谔，到量子计算机的提出者费曼，和认为人脑等于一台量子计算机的彭罗斯。

如果你是个喜欢八卦的人，你将有幸在这书中读到不少科学家有趣的八卦轶事。

比如，肌肉男波尔，年轻的时候还是一个有名的足球运动员，他所在的球队实力太强，一般对方球员很少能威胁他们的球门，作为守门员的波尔实在太无聊，就给自己出了几道物理题算，傻呆呆的样子被对方前锋发现，一脚长射进了球，从此波尔就被教练贬为了候补守门员。

还有超级喜欢跳交易舞的泡利，居然是从跳舞时舞伴都不希望第三人进入而发现了泡利不相容原理。

八卦可不仅限于此，你还能从里面得到很多启示。

比如，卢瑟福教育一天到晚勤奋实验的学生，“所有时间都做实验了，还有时间思考吗？”，学而不思则罔，同学们，咱们可不能光干不想，那是假努力哦！

还有发明晶体管的肖克莱，你能想到是他带火了硅谷吗？具有敏锐商业眼光的他创建了半导体实验室，吸引了后来为硅谷培养成千上万科技人才的8位技术骨干，可惜肖克莱固执己见，不善于管理和处理人际，导致8人的集体背叛，可见高智商还需高情商的扶持，所以综合素质培养多么重要！

你能想象高深莫测的物理学知识，可以用生活中的例子两句话就说透吗？在文中比比皆是的风趣比喻，真的佩服李淼院长化繁就简的手段。

比如：用两排保持固定交叉距离的士兵，互相向对方走去，一般不会碰上，来解释原子不会碰撞。

用一只苍蝇撞到滚动的皮球上，皮球照滚不误，而一只小狗扑上去，皮球的运动轨迹立刻改变，来解释能量大的光子打到特别小的物体上，会干扰他的原有运动。

用雪崩解释产生激光的过程。

被白色气球包裹的黑色气球因包含的电子和激光电子能量相同，吸收激光，就会爆掉，但外面的白色气球却因为电子与激光电子能量不同而完好无损，来解释激光去斑和脱毛的原理。

用聚在一起跳一模一样舞蹈的芭蕾舞演员，比喻激光中电子处于同一种状态。

写在最后

除了量子力学泰斗们的奇闻异事，和有趣的比喻把深奥的知识搞得无比通俗，这本书的用纸、插画和装帧与文字内容一样用心，科普嘛，尤其是对孩子们的科普，看的养眼，读的有趣，想的明白才是硬实力。

从读者的受众范围来说，这本书真不局限于孩子们，虽然我是成年人，但我对物理学仅限于初高中的课本知识，这么多年过去也早就忘的一干二净。所以，有些时候，我对这本书的兴趣反而比孩子还浓，量子力学好似打开一扇想象的大门，只要出发点在门内，门外的一切均可想象。

我觉得每个想写科幻小说的朋友都可以看看这本书，一定让你脑洞大开！

欧界报道： 长期以来，在量子领域的发展中存在着这样一个主要障碍：如何可靠地控制量子计算机芯片中的数百万个量子位。近期，悉尼某大学的量子工程师提出了一个全新的方法解答，经过测试，能够有效克服量子芯片中量子位的自主旋转问题，成为量子 科技 领域的又一全新突破。 能够自主旋转的硅量子是量子计算中的一个可以扩展的计算平台，通过结合半导体的可知造型和硅材料中的事件性质，能够为大规模的量子位提供控制微波信号的方法。 根据新南威尔士大学的教员博士的有关解释可以看出，目前，我们控制电子自旋量子位主要是通过将电流导入电线的形式，从而实现微博磁场的传递。但这不是最困难的，真正具有挑战性的工厂是扩展量子计算机的使用，将它用来解决全球性的重大问题。比如我们新疫苗的研发和设计需要百万界别的量子位。这些量子位如何获得？如何导入并且为我们所用？才是研发过程中真正需要解决的难题。 由于我们人类能够控制的量子位范围相对有限，伴随着量子比特引入的增加，需要更多的电线作为引入支持，这也就需要承载的芯片具有更大的储存空间，而且芯片还要能够满足对应的低温测试，防止在引入过程中产生的大量热量干扰量子位的传输，这对于布线技术的要求相当大。 科学家们为了达到预期的效果，决定重新构想硅芯片的结构。首先，就是需要溢出量子位旁边的电线，同时实现在整个系统中传递微波频率的磁控制场。新开发的组件能够有效实现微波波长聚焦，提升量子自主旋转的可控程度。但是，对于量子位的驱动，可以适当减少能量的投入，通过均匀的芯片场设计，将控制水平规定在一定范围之内。 通过大量的试验和结果比对，控制数百万个量子比特的难题已经被成功解决，目前科学家正在计划用此技术来简化其它量子处理器的设计。在量子芯片发展的过程中，不可避免地会遇到一些难题，但是伴随着科学的发展和不断地 探索 ，相信量子 科技 还会在未来取得更进一步的发展。 界读环球最新 科技 ，深度剖析行业动态 欧界原创出品，转载请注明出处

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