经过长达五年的努力，普林斯顿大学和HRL实验室的研究人员终于成功研制出一种能使单电子将其量子信息传递给光子的器件，该研究成果使人类向着硅基量子计算机的实现又迈进了一步。在该器件中光子成为了传递量子信息的信使，将电子联接在一起，构成量子计算机的电路。

“这就好比人类之间的交流与互动，若想实现良好的沟通，我们需要解决很多问题，例如，如何能使对话的双方说同一种语言。我们可以让某一电子态具有能与光子产生共振的能量，这样便可以实现电子与光子间的量子信息传递，”普林斯顿大学的物理学教授Jason Petta说。这一发现可以让研究人员用光将相互之间独立的电子联接在一起，这些孤立的电子可以作为量子计算机的最小的数据单元即量子比特。量子计算机利用如电子这样遵循量子力学规律的微观粒子进行计算，一旦实现将会极大地提升计算机的计算性能。

在经典计算机中，一个比特拥有一个确定的数值，0或者1。而量子比特（Qubit），除了具有0和1两种状态之外还存在同时为0和1的量子叠加态。这种状态的叠加使量子计算机能够解决经典计算机所无法解决的更加复杂的问题。

目前，人们已经可以利用囚禁离子和超导等方法研制出一些简单的量子计算机，但技术上的挑战使得硅基量子计算机的发展速度十分缓慢。硅是一种极具吸引力的材料，因为它价格便宜且已经被广泛应用于当前智能手机和电脑的制造之中。

在器件研制过程中，研究人员将电子和光子分别囚禁，然后对电子的能量进行调节使其将量子信息传递给光子。这种耦合效应可使光子将一个电子的量子信息传递给一厘米之外的另一个电子。

量子信息具有易失性，周围环境中十分微小的扰动都能使其完全消失。光子具有很强的抗扰动性能，不但具有在量子计算机电路中的量子比特间传递量子信息的潜力，而且还有望通过光纤实现不同量子芯片之间的信息传输。

为了实现电子和光子这两种性质完全不同粒子之间的信息传递，研究人员必须为它们提供一个合适的环境。首先，HRL实验室的Peter Deelman及其合作者利用层状的硅和硅锗材料制造出一个半导体芯片。该结构可以使单层电子被束缚在芯片表面之下。然后，来自普林斯顿的研究人员将纳米尺寸的细导线置于器件的上表面，利用这些细导线向器件输送电压便可产生足够的能量将单电子束缚在由硅原子构成的双量子点区域内。此外，研究人员还利用这些细导线对被束缚电子的能级进行调控来实现与硅晶片上超导谐振腔内束缚光子的匹配。在这之前的半导体量子比特只能与相邻的量子比特相互耦合。通过光使量子比特之间相互耦合，可实现芯片两端量子比特之间的信息传递。

电子的量子信息不过是其在双量子点两个能量口袋（energy pockets）中的位置信息。电子既可以占据其中某一个能量口袋也可以同时占据两个。通过控制施加在器件之上的电压，研究人员可以对电子的占据方式进行调控。

来自普林斯顿大学物理系的研究生，本研究论文的第一作者Xiao Mi说：“我们现在已经可以将电子的量子信息传递给束缚在谐振腔中的光子。而这在以前的半导体器件中是根本无法实现的，因为量子态会在其量子信息传送前消失。

此器件研制得以成功还应归功于研究人员全新的电路设计，该设计使导线与量子比特尽可能地接近从而减弱了来自其它电磁辐射源的干扰。为了减小噪声干扰，研究人员还设置了滤波器来消除外界信号对器件导线的干扰。此外，金属导线对量子比特也有防护作用，从而使此研究中量子比特的噪声水平比以往实验小100 ~ 1000倍。

最后，研究人员计划利用电子本身的自旋特性来对器件的功能进行扩展。“我们最终要实现利用系统的自旋和电荷耦合来形成可用电调控的量子比特。我们目前已经可以实现电子与光子的耦合，这说明我们已经向着实现自旋与光耦合迈出了最重要的一步，” Petta说。

文章链接：

X. Mi, et al, "Strong coupling of a single electron in silicon to a microwave photon," Science  22 Dec 2016: DOI: 10.1126/science.aal2469

新闻链接：

Electron-photon small-talk could have big impact on quantum computing

（来源：国防科技信息网，作者：工信部电子科技情报所  李铁成）

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