科技日報記者 張夢然
一組國際科學家團隊在量子計算領域取得重大突破：首次利用兩個原子核的自旋實現了“量子糾纏態”，讓原子核實現了“遠距離聊天”。這一糾纏是量子計算機超越傳統計算機的核心資源，顯示出利用現有半導體技術和制造工藝打造未來量子芯片的巨大潛力。該成果發表在最新一期《科學》雜志上，標志著向構建大規模量子計算機邁出了關鍵一步。
量子計算領域長期面臨一個根本性矛盾：既要保護量子比特免受外界噪聲和干擾，又要讓它們能夠相互作用以執行計算。這也解釋了為何目前存在多種硬件平臺競爭發展——有些擅長快速操作卻易受噪聲影響，有些抗干擾能力強卻難以擴展。此次研究專注于一種此前被認為難以擴展的技術路徑：利用植入硅芯片中的磷原子核自旋來編碼量子信息。
澳大利亞新南威爾士大學團隊此前已證明，量子信息可在原子核中保持超過30秒（這在量子尺度上已經是非常長的時間），并能以低于1%的錯誤率執行量子邏輯操作。但這一優勢卻難以擴展。
團隊此次通過讓每個原子核與一個獨立的電子耦合，再讓這兩個電子在空間中相互作用，從而實現原子核之間的遠距離通信。此前，原子核就像被關在隔音房間里的個體，雖然同處一室時對話清晰，但無法與外界溝通。現在，團隊相當于給了它們一部“電話”，可與其他房間進行通話。每個房間依然安靜、隔離良好，但交流范圍卻大大擴展。
實驗中，兩個原子核相距約20納米（僅為人頭發絲直徑的千分之一）。團隊解釋稱，這聽起來微小，但如果將原子核放大到一個人的大小，它們之間的距離相當于悉尼與波士頓之間的跨度。更重要的是，20納米正是當前用于制造手機和電腦芯片的現代硅技術標準尺度。測試中，團隊利用日本慶應義塾大學提供的超純硅晶圓，將磷原子精準植入芯片。
基于原子核自旋的硅量子計算機，正在規模化道路上前進，此次成果掃清了一個最大障礙，且新方法既穩健又可擴展。目前實驗僅使用兩個電子，未來可引入更多電子，實現相互作用的快速、精確開關。
總編輯圈點
新成果不僅巧妙解決了量子計算中一些固有矛盾，還開辟出一條依托現有半導體工業體系，實現量子芯片規模化的新路徑，為“安靜”但孤立的量子比特搭建了可編程的通信橋梁。尤為關鍵的是，20納米間距與主流芯片工藝的完全兼容，意味著量子器件可直接借力成熟技術，大幅縮短從實驗室原型到工業化生產的距離。這不僅是技術路線的驗證，更是對硅基量子計算產業化前景的強力提振。
