量子计算机理论上可以解决经典计算机数十亿年来无法解决的问题，但前提是它们有足够多的量子比特。西蒙弗雷泽大学的研究人员在单个芯片上制造了超过150,000个基于硅的量子比特，他们希望将这些量子比特与光相连，以帮助创建连接到量子互联网的强大量子计算机。.相关论文《Optical Observation of Single Spins in Silicon》已发表在最新一期的《自然》杂志上。论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y自然界最好的自然量子比特之一：硅自旋我们知道经典计算机将数据表示为1或0。相比之下，量子计算机,使用量子比特。而且，由于量子物理学的超现实特性，量子比特可以以叠加态存在，它们同时代表1和0。这种现象允许每个量子位同时执行两个计算。在量子计算机中，连接或纠缠的量子比特越多，计算能力就会呈指数级增长。目前，量子计算机是嘈杂的中等规模量子（NISQ）平台，这意味着其上的量子位数量可达数百个。但为了展示实际应用的实用性，未来的量子计算机可能需要数千个量子比特来帮助消除错误。与此同时，许多不同类型的量子比特正在开发中，例如超导电路、电磁俘获离子和冷冻氖。在这项研究中，研究人员发现由硅制成的自旋量子位可能在量子计算领域大有可为。“硅自旋是自然界中最好的自然量子比特之一，”该论文的共同通讯作者之一、西蒙弗雷泽大学的量子工程师兼副教授斯蒂芬妮西蒙斯说。StephanieSimmons的自旋量子比特中的自旋是一种粒子角动量（例如电子或原子核），它可以像指南针指向北方和南方一样向上或向下指向。自旋量子位可以存在于同时双向定位的叠加状态。硅自旋量子位是有史以来最稳定的量子位之一。在全球半导体行业数十年的发展工作的支持下，该技术在理论上取得了迅速的进步。到目前为止，科学家们只测量了硅电子的单自旋。这反过来意味着将自旋纠缠在一起的唯一方法是电磁纠缠，这必须用彼此非常接近的量子比特来完成，从工程角度来看这很难扩展。西蒙弗雷泽大学的研究人员首次在硅量子比特中检测到一个光学自旋。西蒙斯认为，这种对自旋量子位的光学访问有朝一日可以使用光在芯片上使量子位相互纠缠。新的自旋量子位基于辐射损伤中心，即使用离子注入或高能电子辐射产生的硅内部缺陷。具体来说，它们可以称为T中心，每个中心由两个碳原子、一个氢原子和一个不成对的电子组成。每个T中心都有一个不成对的电子自旋和一个氢核自旋，它们中的每一个都可以充当一个量子位。其中，电子自旋能保持一致或稳定2毫秒以上，氢核自旋能保持1.1秒。这种硅自旋量子位的长寿命已经具有竞争力。一个硅中心的研究人员在商业行业标准的绝缘体上硅集成光子芯片上打印了150,000个点，称为“微圆盘”。每个微盘的宽度从0.5到2.2微米不等，平均而言，它们都有一个T型中心。在显微镜下：由数千个微小圆盘组成的阵列受到磁场的影响，每个T中心自旋量子位态的能量略有不同，并且每个都以不同的波长发射光。这使得科学家能够通过光学检测来检测T中心自旋量子比特的状态。集成和光学耦合的T中心自旋量子位发射的波长在近红外O波段（1260至1360nm）。这意味着自旋量子位可以与其他量子位连接，在量子处理器内协同工作，并通过发光帮助量子计算机在量子互联网上合作，这通常用于电信网络。此外，“电子和核自旋量子位可以一起运行——核自旋作为一个长寿命的记忆量子位，电子自旋作为一个光耦合通信量子位，并且可以使用微波场在它们之间交换信息，”西蒙斯说。.“没有其他物理量子系统可以直接将高性能量子存储器与长距离光子联系起来，并展示出这样的商业前景。硅芯片是现代微电子学和集成光子学的顶级平台。”未来的前景很有趣。自1970年代以来，科学家们就知道了T中心。“出于某种原因，我们是第一个开始研究T中心作为硅芯片上的量子位的小组，”西蒙斯说。“研究人员可能认为，硅芯片中的自旋光学量子位无法与金刚石和碳化硅等其他材料中的候选者竞争。这对我们来说是个谜。”但目前的研究显示出新的前景。“我们对这些量子位的基本可扩展性感到非常兴奋，”西蒙斯说。“这是国际量子计算机竞赛的新成员，我们认为它非常有前途。”尽管研究人员在这项新研究中制造了许多量子位，但“这些还没有连接到工作的量子计算机中，”西蒙斯补充道。.“对这些自旋的光学访问将使布线比许多其他方法更容易，但这项技术还很年轻，还有很多工作要做。”
