「矽量子晶片」使各國量子競賽進度超前?

Nodar Samkharadze et al., Strong spin-photon coupling in silicon, Science, 2018.


【本刊訊】在這個零點時代, 世界各國皆在量子處理器的領域上彼此切磋, 渴望端出更具創意性的產物。德爾夫科技大學( Delft University of Technology)科學團隊已於日前率先研發出速度驚人的處理器,並在研究中表示電子自旋(electron spin)的量子資訊可透過「矽量子晶片(silicon quantum clip)」轉換成光子,而量子在晶片間的連結使得量子比特(qubits,即量子位元)的數量亦被放大。

量子電腦在計算能力上有可能大幅領先當代電腦,而量子的疊加(superposition)與量子位元間的糾纏(entanglement)特性讓平行計算(parallel computation)成為可能。各地科學家與集團都將火力集中在創造更好、量子位元含量更多的量子晶片上, 德爾夫科技大學目前也針對各型態的晶片做進一步的研究。

此次的量子晶片核心材料為矽(silicon, Si),德爾夫科技大學奈米科學研究機構凡德斯龐(Lieven Vanderspen)教授表示,許多人對這個材料並不陌生,其被大量用於電晶體(transistor)製造上,亦常見於所有電子裝置中。不僅如此,矽這個材料在量子科技的範疇裡相當有潛力,博士研究生鄭國齊(Gouji Zheng)(音譯)進一步指出,透過電場可捕捉矽的單一電子,並用於量子位元中。

而要產生有效的計算,則需仰賴海量的量子位元,而這個與日俱增的數值也為研究人員帶來許多挑戰。研究員山姆海拉德(Nodar Samkharadze)表示,要同一時間用上這麼多量子位元,就必須將其連結起來、以構築出良好的溝通環境,而當前由矽裡捕捉到作為量子位元的電子,僅能與它比鄰的電子們進行連結,如此推敲下來這顯然是個不可能的任務!

其他量子系統運用光子遠距作用,歷經數載、這似乎也成了矽這個材質的主要目標,而近年來也有不少科學家發展出一套方法。德爾夫科技大學的科學家們目前可將單一電子自旋與單一光子集結成矽晶片,這樣的結合原則上能使量子資訊在自旋與光子間傳輸。

鄭國齊指出,連接矽晶片上的遠距量子位元相當重要,也唯有如此才能將其數量擴增。對此研究結果,凡德斯龐教授欣喜若狂地表示,團隊完成了這樣的創舉,不僅縮短這項「世界競賽」的時間、也相對少許多研究壓力,而團隊接下來的目標是研究如何將資訊透過光子,在電子自旋中進行傳輸。


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