選自phys機器之心編譯參與：朱思穎、杜夏德
為了進一步實現基於矽的量子計算機，普林斯頓大學的研究者已經建造了一個可以讓單個電子傳遞其量子信息給光粒子的設備。光粒子也就是光子，在接收信息之後可以充當信使從而把所接收的信息傳給其他的電子。由光子所創造的這種連接關係構成了量子計算機的迴路。
這項已在 Science 上發表的研究，是普林斯頓大學和加州馬利布休斯研究實驗室共同指導完成的，展現了他們 5 年多努力的成果。這 5 年多的研究中，他們為單個電子和光子之間的對話來打造強大的能力支撐，據 來自普林斯頓大學的物理教授 Jason Petta 所說。
「就像人類之間的互動一樣，一個良好的交流是要以很多事情的鋪墊完成為前提的，比如說幫助交流雙方講同一種語言等，」Petta 說。「我們能夠使電子態的能量與為光粒子的共振，從而使電子和光子能夠互相對話。」
這項發現將幫助研究者運用光來聯繫單獨的電子，這些電子充當量子計算機的比特也即是量子計算機裡最小的數據單元。一旦實現，量子計算機將是先進的設備，其能夠運用微小粒子（如電子）實現高級計算，這些微小粒子遵從量子定律而不是日常生活中的物理定律。
我們現在每天所使用的計算機中每一位比特的值要麼是 1 要麼是 0。量子比特（qubit）可以是 0 與 1 之間的一個值，或同時都為 0、同時都為 1。這種疊加就是為大家所熟知的量子特性，能夠讓量子計算機處理現在的計算機所不能解決的複雜問題。
單個量子計算機已經通過囚禁粒子和超導體建造出來了，但是技術挑戰減慢了基於矽的量子設備的研發進度。在構建量子計算機的時候，矽是非常誘人的材料，因為矽的價格不貴而且已廣泛用於今天的智慧型手機和計算機的設備製造中。
研究員們在他們的設備裡囚禁了一個電子和一個光子，然後把電子的能量用這樣的一個方式轉移給光子。通過這樣的耦合使得光子把所攜帶的信息從一個量子位轉移到位於一釐米之外的另一個量子位。
量子信息是極度脆弱的，即使是來自所在環境裡最輕微的幹擾，將會導致其攜帶信息的全部丟失。光子對抗幹擾的能力更加強健，此外光子不僅能夠在量子計算機的迴路中將攜帶的量子信息從一個量子比特傳遞到另一個量子比特，而且可以在量子晶片之間通過電纜傳遞。
為了使這兩種不同類型的粒子能夠互相「交流」，研究員們還必須建立一個提供適宜「交流」環境的設備。首先，休斯研究實驗室（一個由波音公司和通用汽車擁有的研發實驗室）的 Peter Deelman 裝配出了一個半導體晶片，這個晶片由多層的矽和矽鍺構成。這個裝配的半導體晶片在其晶片表面之下囚禁了單層的電子。下一步，普林斯頓大學的研究員們在裝置的頂部鋪設了細微導線，每根導線的寬度只有人頭髮絲的幾分之一。這些直徑為毫微米的導線所傳導的電壓創建了能夠囚禁單個電子的能級相圖，而這些囚禁的電子將會在限制在矽的被稱為雙量子點（double quantum dot）的區域裡。
研究員們用這些導線來將囚禁電子的能級調整到與光子所匹配的程度，光子是由晶片頂層超導腔所囚禁。在這項研究發現之前，半導體的量子比特僅能被其相鄰的量子比特耦合。通過光來耦合量子比特，將可以在位於晶片相對兩端的量子比特之間進行信息傳遞。
電子的量子信息無非就是其處於雙量子點的 2 個能量穴（energy pocket）其中之一的位置信息。電子能佔據兩個能量穴之一或同時佔據兩個能量穴。通過控制用於設備的電壓，研究員們就能夠控制電子在哪個能量穴中。
「我們現在有實際轉移電子量子態給囚禁在超導腔中的光子的能力了，」普林斯頓的物理系研究生也是論文的第一作者 Xiao Mi 說。「這一過程之前從未在半導體設備中實現過，因為在能夠轉移電子的量子信息之前其量子態就已丟失。」
在這個裝置中能成功實現量子態的轉移，歸功於一個新的迴路設計，這個迴路在設計時能夠讓鋪設的細微導線與量子比特之間的位置更近從而能夠減少來自其他電磁放射源的幹涉。為了減少這類噪音，研究員們在通向這個裝置的導線中放置了能夠過濾掉無關信號的濾波器。這些金屬導線同時也充當了量子比特的保護盾。通過這些操作保護，相比於之前的實驗，他們的量子比特所接受到的噪音量能夠有 100 到 1000 倍的減少。
最終，研究人員計劃拓展該設備使其能發揮電子的自旋特性。「長期來看，我們想讓這個自旋和電荷耦合在一起的系統能自己造出一個可以電控的自旋量子，」Petta 說。「我們發現我們能講一個電子與光相干耦合在一起，這是實現自旋光耦合的重要一步。」
德國亞琛工業大學量子信息研究所的一位物理學家 David DiVincenzo 雖然沒有參與這項研究，但他在 1996 年參與了一篇非常有影響力的論文，該文概述了創建量子計算機所需的五個最低要求。對於普林斯頓 HRL 的工作，DiVincenzo 雖沒有參與，但他說：「為了找到合適的條件組合實現單電子量子比特的強耦合條件，已經花了很多精力了。我很高興地看到有人發現了一個參數空間的區域，在這個區域中，該系統可首次進入強耦合域。」