Australia

The research team in the Fundamental Quantum Technologies Laboratory at UNSW Sydney, Australia. From left: Mark R. van Blankenstein, Dr. Holly Stemp (lead author), and Prof. Andrea Morello. Photography by Dr. Rocky Su, UNSW Sydney 研究人员实现核自旋量子比特远程耦合，为可扩展量子计算奠定基础 在构建实用化量子计算机的激烈竞争中，多种技术路线并行发展，各具独特的优势与局限性。在这些技术中，基于硅中核自旋的量子计算因其与现有半导体制造工艺的高度兼容性以及量子比特的卓越稳定性而备受瞩目。这种方法利用原子核的自旋作为量子比特，提供了出色的隔离性，能够长时间保持量子信息的完整。然而，将这些系统从概念验证扩展到数百万个量子比特，始终面临一个核心挑战：如何在保持量子比特与环境隔离的同时，建立它们之间的有效连接。 2025年9月18日，《科学》杂志刊登了来自新南威尔士大学的一项突破性研究，展示了一个充满希望的解决方案。研究人员利用电子作为中介，成功耦合了相距高达20纳米的核自旋量子比特，这一距离是先前方法的四倍。虽然20纳米在人类尺度上微不足道，但它标志着实用量子计算架构的一个关键门槛。 我们有幸与这项开创性研究的主要作者霍莉·斯滕普博士（Dr. Holly Stemp）进行了深入交流，探讨了该研究的技术成就及其对未来的影响。以下详细的对话内容揭示了构建可扩展量子计算机的基础物理原理与实际工程挑战，为我们提供了深刻的洞见。 隔离悖论 植入硅中的磷原子核自旋因其卓越的隔离性成为理想的量子比特。这种特性，被称为相干性，使这些量子比特能够长时间保持量子信息。在早期的实验中，核自旋量子比特的量子状态可维持长达30秒，这在量子领域堪称永恒，因为大多数量子系统在微秒内就会丢失信息。 然而，这种隔离性带来了一个工程悖论。要构建功能齐全的量子计算机，量子比特必须相互通信以执行计算。然而，核自旋作为量子比特的吸引力恰恰在于它们几乎不与任何事物相互作用，包括旁边的量子比特。这种与环境的隔离性虽然保证了信息的稳定性，却阻碍了量子比特之间的必要交互。 过去的解决方案是将核自旋放置得极近，距离仅为一到五纳米，让单个电子云包裹两个原子核。这个共享电子可以作为中介，促进核与核之间的交互，从而实现量子计算所需的两量子比特操作。然而，这种方法在可扩展性方面面临严重限制。在数百万个量子比特中维持如此精确的原子定位，同时为控制电子元件留出空间，对制造工艺提出了巨大挑战。 电子作为量子电话 新的耦合方案采用了不同的方法。研究人员没有强迫原子核共享一个电子，而是将它们分得更远，允许每个原子核拥有自己的电子。据估计，在这个系统中，核间的距离可达20纳米。当相邻原子核上的电子被添加到系统中时，它们的量子力学波函数会发生轻微的重叠，产生物理学家所说的交换相互作用。 这种相互作用意味着一个电子的共振频率取决于两个原子核的量子态。通过精确计时微波脉冲，研究人员可以执行由各自电子介导的核间双量子比特门操作。由于电子的响应速度比原子核快得多，这些门操作在核相干时间内很快完成，从而保留了量子信息。 该方案的另一个优势是，可以使用局部栅极电压将电子添加到或移除出系统，从而按需开启或关闭相互作用。未来可以预见，当不需要计算时，可以确定性地移除电子，使核量子比特回到其隔离的、高相干性的状态。当需要相互作用时，电子可以短暂地被加入以促进操作，然后再移除。 二十纳米阈值 这项实验中实现的20纳米间隔，跨越了半导体制造的一个重要界限。现代互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺通常在这个尺度下工作，使得该方法与现有的工业能力兼容。这种兼容性可以使量子计算借鉴数十年来在硅芯片制造中的投入和专业知识。 此外，20纳米提供了足够的空间，可以将经典控制电子器件直接集成到量子芯片上。目前的量子计算系统需要大量的外部基础设施，控制信号通过屏蔽电缆布线到超低温环境中。片上控制电子器件将减少这种复杂性，尽管它也引入了管理其产生热量的新挑战。 研究人员强调，进一步的小型化既没有必要也不可取。在这种密度下，数百万个量子比特可以容纳在单个芯片上。制造的挑战不在于将更多的量子比特塞入更小的空间，而在于以足够的精度可靠地放置它们。 精准放置 与墨尔本大学合作开发的确定性离子植入技术有效应对了量子比特定位的挑战。这项技术利用原子力显微镜的尖端，通过微小孔径将单个磷原子精确植入指定位置。高保真单离子探测器在系统移动到下一个植入点之前，验证植入是否成功。