新技術有助於建造未來的量子電腦

主要要點

• 伯克利實驗室的研究人員報告了一項重大進展，這可能使我們更接近可擴展的量子計算機。

• 在探索氫在量子位元形成中作用的實驗中，研究人員使用飛秒雷射開發了一種方法，可在矽中編程形成電信波段光量子位元，以實現大規模製造。

• 通過利用目前的矽基計算基礎設施，該技術可以使未來的可擴展量子計算機成為可能。

量子計算機有可能以比世界上一些最快的超級計算機快數百萬倍的速度解決人類健康、藥物發現和人工智慧等領域的複雜問題。量子計算機網路可以更快地推進這些發現。但在這之前，計算機行業需要一種可靠的方法，以原子精度將數十億個量子位元（或量子位）串聯起來。

然而，連接量子位元一直是研究界的挑戰。某些方法通過將整個矽晶圓放入高溫快速退火爐中來形成量子位元。使用這些方法，量子位元會從矽晶格中的缺陷（也稱為色心或量子發射器）中隨機形成。而且，如果不確切知道量子位元在材料中的位置，就難以實現由連接的量子位元組成的量子計算機。

但是現在，使量子位元連接起來很快就會成為可能。由勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 領導的一個研究團隊表示，他們是第一個使用飛秒雷射根據需要以高精度創造和「殲滅」量子位元，方法是利用氫摻雜矽。

這一進展可以實現使用可編程光量子位元或「自旋-光子量子位元」的量子計算機，以連接遠程網路上的量子節點。它還可以推進量子網路的發展，量子網路不僅更安全，而且可以比目前的、以光纖為基礎的信息技術傳輸更多數據。

「為了構建可擴展的量子架構或網路，我们需要能夠根據需要在所需位置可靠地形成的量子位元，以便我們知道量子位元在材料中的位置。這就是為什麼我們的方案至關重要的原因。」伯克利實驗室加速器技術與應用物理 (ATAP) 部門的博士後學者 Kaushalya Jhuria 說。她是發表在《自然通訊》雜誌上的一篇描述該技術的新研究的第一作者。「因為一旦我們知道特定量子位元的位置，我們就可以確定如何將這個量子位元與系統中的其他組件連接起來，並建立一個量子網路。」

「這可以為行業開闢一條潛在的新途徑，以克服量子位元製造和質量控制方面的挑戰。」伯克利實驗室 ATAP 部門融合科學與離子束技術項目的負責人、首席研究員 Thomas Schenkel 說。他的小組將於 6 月主辦來自夏威夷大學的第一批學生，作為 DOE 融合能源科學資助的 RENEW 人力資源發展項目的一部分，學生將沉浸在色心/量子位元科學和技術中。

以可編程控制的方式在矽中形成量子位元

這種新方法使用氣體環境在矽中形成稱為「色心」的可編程缺陷。這些色心是特殊電信量子位元或「自旋光子量子位元」的候選者。該方法還使用超快飛秒雷射以精確點的精度退火矽，這些量子位元應該在那裡精確形成。飛秒雷射在一千萬億分之一秒內向塵埃大小的聚焦目標輸送非常短的能量脈衝。

自旋光子量子位元發射光子，這些光子可以攜帶編碼在電子自旋中的信息，跨越長距離——這是支持安全量子網路的理想特性。量子位元是量子信息系統中最小的組成部分，它以三種不同的狀態編碼數據：1、0 或介於 1 和 0 之間的疊加態。

在伯克利實驗室材料科學部的教員科學家、加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學 (EECS) 教授 Boubacar Kanté 的幫助下，該團隊使用近紅外探測器通過探測它們的光學（光致發光）信號來表徵產生的色心。

他們發現的結果令他們驚訝：一種稱為 Ci 中心的量子發射器。由於其結構簡單、室溫穩定以及良好的自旋特性，Ci 中心是一種有趣的自旋光子量子位元候選者，它在電信波段發射光子。「我們從文獻中知道 Ci 可以形成於矽中，但我們沒想到能用我們的方法實際製造出這種新的自旋光子量子位元候選者。」Jhuria 說。

研究人員了解到，在存在氫的情況下，使用低飛秒雷射強度處理矽有助於產生 Ci 色心。Schenkel 解釋說，進一步的實驗表明，增加雷射強度可以提高氫的遷移率，這可以在不損壞矽晶格的情況下鈍化不需要的色心。

伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家 Liang Tan 進行的理論分析表明，在存在氫的情況下，Ci 色心的亮度提高了幾個數量級，證實了他們從實驗室實驗中得出的觀察結果。

「飛秒雷射脈衝可以踢出氫原子或將它們帶回來，從而允許在精確位置可編程地形成所需的色心。」Jhuria 說。

該團隊計劃使用該技術將光量子位元集成到量子器件中，例如反射腔和波導，並發現具有針對特定應用優化特性的新型自旋光子量子位元候選者。

「現在我們可以可靠地製造色心了，我們想讓不同的量子位元相互交流——這是量子糾纏的體現——看看哪個性能最好。這只是一個開始。」Jhuria 說。

「能夠在像矽這樣的材料中以可編程的位置形成量子位元，這是一種大規模可用的材料，這向實用的量子網路和計算邁出了令人興奮的一步。」ATAP 部門主任 Cameron Geddes 說。

本研究的理論分析是在伯克利實驗室的美國能源部國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 進行的，並得到了 NERSC QIS@Perlmutter 計畫的支持。

分子鑄造廠和 NERSC 是伯克利實驗室的 DOE 科學辦公室用戶設施。

這項工作得到了 DOE 融合能源科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。