研究报告:4月5日

批量创建量子位
来自英特尔和代尔夫特理工大学QuTech研究所以及荷兰应用科学研究组织(TNO)的研究人员建立了一个使用标准半导体制造设施的量子比特．

量子比特是基于在类似于传统晶体管的硅纳米级器件中捕获的单电子的自旋。研究人员认为，这种相似性可以使半导体行业用于提高产量和均匀性并减少缺陷的设计规则技术应用于量子位的创造。

“目前，研究人员主要在实验室中使用量子比特。为了使量子计算机成为可能，你需要以一种可访问的方式产生这些量子位。通过与英特尔的合作，我们希望证明我们也可以使用当前的芯片生产方法来打印量子比特。QuTech的博士研究员Anne-Marije Zwerver说:“这使量子计算机的问世更近了一步，因为你可以使用现有的设备。”关于合作．

“我们分两步制造量子比特，”Zwerver解释说。“我们首先创造了所谓的量子点:一种我们捕获电子的盒子。我们用施加在电极上的电压来定义这个盒子。第二步是利用这个量子点制造和操纵量子比特。通过这种方式，量子比特类似于今天大规模生产的计算机芯片。”

“工业制造技术不同于通常用于制造这种量子点样品的技术，”Zwerver说。“这就好像我们第一次用书法写作，现在我们换成了模版机。前者提供了更大的灵活性，后者提供了产量和均匀性的显著改善。此外，我们不再一次制造20个设备，而是一次制造数以万计的设备，使我们能够收集设备属性的统计数据。”

“很多文章都说:硅中的半导体自旋量子比特与CMOS半导体制造兼容。但直到现在，我们才证明这是真的，”QuTech的首席科学家Lieven Vandersypen补充道。“此外，英特尔团队实现的器件良率达到了前所未有的98%，而我们大学洁净室的良率在天气好的时候只有50%。”

并行的研究工作是针对控制多个自旋量子比特和提高量子比特控制的质量。研究人员认为，这项联合工作可以为实现集成数百万个量子比特的全面量子计算奠定基础。

储存量子位元
日内瓦大学的研究人员创造了一项新的记录量子比特可以被存储达到20毫秒。

“这是基于固态系统(在这种情况下是晶体)的量子存储器的世界纪录。日内瓦大学理学院应用物理系高级讲师Mikael Afzelius说:“我们甚至在保真度略有下降的情况下，成功达到了100毫秒的目标。”

科学家们使用了掺有稀土金属铕的晶体，这种晶体能够吸收光，然后重新发射。这些晶体被保持在-273.15°C(绝对零度)，因为超过10°C以上的温度，晶体的热搅动破坏了原子的纠缠。

用于储存光子量子位的晶体，在低温恒温器(一种仪器)中由激光照射用于获得低温温度。(来源:(c)安东尼奥·奥尔图/CC-BY /日内瓦大学)

“我们在晶体上施加了千分之一特斯拉的小磁场，并使用了动态解耦方法，即向晶体发送强烈的无线电频率。这些技术的效果是将稀土离子与环境扰动分离，并将我们目前所知道的存储性能提高了近40倍，”日内瓦大学应用物理系博士后安东尼奥·奥尔图(Antonio Ortu)说。

研究人员表示，他们的工作可以促进远距离量子电信网络的发展。

“现在的挑战是进一步延长存储时间。从理论上讲，增加晶体暴露在无线电频率下的持续时间就足够了，但就目前而言，在更长的时间内实现它们的技术障碍使我们无法超过100毫秒。不过，可以肯定的是，这些技术难题是可以解决的。”

他们还在研究能够一次存储超过一个光子的存储器，这将使“纠缠”光子能够保证保密性。阿夫泽利乌斯说:“我们的目标是开发一种在所有这些方面都表现良好的系统，并在十年内推向市场。”

存储旋转
来自剑桥大学、悉尼科技大学和澳大利亚国立大学的研究人员发现，这种二维材料六方氮化硼在室温下，可以从原子尺度的结构缺陷中发射单光子。

研究人员发现，从这些孤立缺陷发出的光提供了关于量子特性的信息，可以用来存储量子信息或自旋。量子自旋可以通过光和室温来获得，这可能使它对未来的通信网络有用。

“我们可以使用光子将信息从一个地方发送到另一个地方，但如果我们要建立真正的量子网络，我们需要发送信息，存储信息，并将其发送到其他地方，”剑桥大学卡文迪什实验室的汉娜·斯特恩(Hannah Stern)说，他是三一学院的初级研究员。“我们需要能够在室温下保持量子信息一段时间的材料，但我们目前拥有的大多数材料平台都很难制造，而且只能在低温下工作。”

六方氮化硼是一种二维材料，通过化学气相沉积生长，使其便宜且可扩展。最近的努力揭示了单光子发射器的存在和光学可达自旋的密集集合的存在，但不是单独孤立的自旋-光子界面在环境条件下工作。

斯特恩说:“通常，它是一种非常无聊的材料，通常被用作绝缘体。”“但我们发现这种材料存在缺陷，可以发射单光子，这意味着它可以用于量子系统。如果我们能让它在旋转中存储量子信息，那么它就是一个可扩展的平台。”

研究小组将一个六边形氮化硼样品放置在一个微型金天线和一个具有一定强度的磁铁附近。通过在室温下向样品发射激光，他们能够观察到许多不同的磁场依赖于材料发出的光的响应。

研究人员发现，当他们将激光照射到材料上时，他们能够操纵缺陷的自旋或固有角动量，并将缺陷用作存储量子信息的一种方式。

剑桥大学博士候选人顾秋实说:“通常情况下，这些系统中的信号总是相同的，但在这种情况下，信号的变化取决于我们正在研究的特定缺陷，并不是所有的缺陷都显示出信号，所以还有很多东西需要发现。”“这种材料有很多变化，就像毯子盖在移动的表面上一样——你会看到很多涟漪，它们都是不同的。”

剑桥大学物理学教授、圣约翰学院研究员Mete Atature说:“现在我们已经在这种材料中确定了室温下光学可达的孤立自旋，下一步将是详细了解它们的光物理性质，并探索包括信息存储和量子传感在内的可能应用的操作机制。”“在这项工作之后，将会有一系列有趣的物理学研究。”