量子糾纏——曾經被阿爾伯特·愛因斯坦斥為“遠距離的恐怖動作”——長期以來一直吸引著公眾的想象力，甚至讓經驗豐富的科學家感到困惑。

但對于今天的量子從業者來說，現實更加平凡：糾纏是粒子之間的一種聯系，是粒子之間的一種典型特征量子計算機.

盡管這些設備仍處于起步階段，但糾纏將使它們能夠完成經典計算機無法做到的事情，例如更好地模擬分子、藥物或催化劑等自然量子系統。

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在今天發表的新研究中科學，我和我的同事們已經演示了量子糾纏在相距約 20 納米的兩個原子核之間。

這可能看起來并不多。但我們使用的方法是一項實用的概念突破，可能有助于使用最精確、最可靠的量子信息存儲系統之一來構建量子計算機。

平衡控制與噪音

面臨的挑戰量子計算機工程師需要平衡兩個對立的需求。

脆弱的計算元件必須屏蔽外部干擾和噪聲。但與此同時，必須有一種方法可以與它們交互以進行有意義的計算。

這就是為什么有這么多不同類型的硬件仍在爭奪第一臺運行量子計算機的原因。

有些類型非常適合執行快速作，但會受到噪音的影響。其他的則很好地屏蔽了噪音，但難以作和擴大規模。

讓原子核相互通信

我的團隊一直在研究一個平臺——直到今天——可以放在第二個營地。我們在硅芯片中植入了磷原子，并使用原子核的自旋對量子信息進行編碼。

為了構建一臺有用的量子計算機，我們需要同時處理許多原子核。但到目前為止，處理多個原子核的唯一方法是將它們放置在固體中非常靠近，在那里它們可以被單個電子包圍。

我們通常認為電子遠小于原子核。然而，量子物理學告訴我們，它可以在空間中“擴散”，因此它可以同時與多個原子核相互作用。

即便如此，單個電子可以傳播的范圍還是相當有限的。此外，向同一電子添加更多原子核使得單獨控制每個原子核變得非常具有挑戰性。

糾纏遠程核的電子“電話”

可以說，到目前為止，原子核就像人被放置在隔音室里一樣。他們只要都在同一個房間里，就可以互相交談，而且對話真的很清楚。

但他們聽不到外面的任何聲音，房間里能容納的人也只有這么多人。因此，這種對話模式無法擴大。

在我們的新作品中，就好像我們給了人們電話，讓他們與其他房間進行通信。每個房間的內部仍然漂亮而安靜，但現在我們可以在更多的人之間進行對話，即使他們距離很遠。

“電話”是電子。由于它們在空間中擴散的能力，兩個電子可以在相當長的距離內相互“接觸”。

如果每個電子直接耦合到原子核，原子核就可以通過電子之間的相互作用進行通信。

我們使用電子通道通過一種稱為“幾何門”的方法在原子核之間產生量子糾纏，我們使用了這種方法幾年前對硅中的原子進行高精度量子運算。

現在，我們首次在硅中證明了這種方法可以擴展到連接到同一電子的原子核對之外。

與集成電路配合

在我們的實驗中，磷核相隔 20 納米。如果這看起來仍然很小的距離，那就是：兩個磷原子之間的硅原子不到 40 個。

但這也是日常硅晶體管的制造規模。在 20 納米尺度上創建量子糾纏意味著我們可以將壽命長、屏蔽良好的核自旋量子比特集成到標準硅芯片的現有架構中，例如我們的手機和計算機中的芯片。

未來，我們設想進一步推動糾纏距離，因為電子可以物理移動或擠壓成更細長的形狀。

我們的最新突破意味著基于電子的量子器件的進展可以應用于使用長壽命核自旋來執行可靠計算的量子計算機的構建。

安德里亞·莫雷洛，量子納米系統教授，新南威爾士大學悉尼分校

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