两个自旋原子核的艺术想象图。图片来源：澳大利亚新南威尔士大学
一组国际科学家团队在量子计算领域取得重大突破：首次利用两个原子核的自旋实现了“量子纠缠态”，让原子核实现了“远距离聊天”。这一纠缠是量子计算机超越传统计算机的核心资源，显示出利用现有半导体技术和制造工艺打造未来量子芯片的巨大潜力。该成果发表在最新一期《科学》杂志上，标志着向构建大规模量子计算机迈出了关键一步。
量子计算领域长期面临一个根本性矛盾：既要保护量子比特免受外界噪声和干扰，又要让它们能够相互作用以执行计算。这也解释了为何目前存在多种硬件平台竞争发展——有些擅长快速操作却易受噪声影响，有些抗干扰能力强却难以扩展。此次研究专注于一种此前被认为难以扩展的技术路径：利用植入硅芯片中的磷原子核自旋来编码量子信息。
澳大利亚新南威尔士大学团队此前已证明，量子信息可在原子核中保持超过30秒（这在量子尺度上已经是非常长的时间），并能以低于1%的错误率执行量子逻辑操作。但这一优势却难以扩展。
团队此次通过让每个原子核与一个独立的电子耦合，再让这两个电子在空间中相互作用，从而实现原子核之间的远距离通信。此前，原子核就像被关在隔音房间里的个体，虽然同处一室时对话清晰，但无法与外界沟通。现在，团队相当于给了它们一部“电话”，可与其他房间进行通话。每个房间依然安静、隔离良好，但交流范围却大大扩展。
实验中，两个原子核相距约20纳米（仅为人头发丝直径的千分之一）。团队解释称，这听起来微小，但如果将原子核放大到一个人的大小，它们之间的距离相当于悉尼与波士顿之间的跨度。更重要的是，20纳米正是当前用于制造手机和电脑芯片的现代硅技术标准尺度。测试中，团队利用日本庆应义塾大学提供的超纯硅晶圆，将磷原子精准植入芯片。
基于原子核自旋的硅量子计算机，正在规模化道路上前进，此次成果扫清了一个最大障碍，且新方法既稳健又可扩展。目前实验仅使用两个电子，未来可引入更多电子，实现相互作用的快速、精确开关。
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