图1：尼尔斯·玻尔研究所的研究人员将一个含有大量自旋量子比特的芯片冷却到-273摄氏度以下。为了操纵量子点阵列内的单个电子，他们将快速电压脉冲施加到位于砷化镓晶体表面的金属栅电极上(参见扫描电子显微照片)。因为每个电子也带有量子自旋，这允许基于阵列的自旋状态进行量子信息处理(图示中的箭头)。在被调节的自旋交换中(只用了十亿分之一秒)，两个相关的电子对被相干叠加并缠绕在五个量子点上，在群集中创造了新的世界纪录。图片来源：尼尔斯·玻尔研究所
在哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所(Niels Bohr Institute)，研究人员已经实现了远距离量子点之间电子自旋的交换。这一发现使我们离量子信息的未来应用又近了一步，因为微小的量子点必须在微芯片上留下足够的空间用于精密的控制电极。点与点之间的距离现在已变得足够大，可以与传统的微电子技术集成，或许还可以与未来的量子计算机集成。这一成果是通过与普渡大学和澳大利亚悉尼新南威尔士大学的跨国合作实现的，现已发表在《自然通讯》杂志上。
尺寸在量子信息交换中起着重要作用，在纳米级上也是如此
量子信息可以通过使用电子自旋状态来存储和交换。电子的电荷可以通过栅极电压脉冲来控制，而栅极电压脉冲也可以控制电子的自旋。人们认为这种方法只有在量子点相互接触的情况下才可行；如果放置得太近，自旋的反应就会太剧烈；如果放置得太远，自旋的相互作用就会太慢。这造成了一个两难的境地，因为如果量子计算机能够看到曙光，我们既需要快速的自旋交换，也需要量子点周围有足够的空间来容纳脉冲栅极电极。通常，量子点线性阵列中的左点和右点(图1)相距太远而无法相互交换量子信息。澳大利亚悉尼新南威尔士大学博士后Frederico Martins解释说：“我们在电子的自旋状态下对量子信息进行编码，这种自旋状态具有一种理想的特性，即它们不会与嘈杂的环境产生太多的相互作用，这使得它们作为稳定而长寿的量子存储器非常有效。但是当你想积极地处理量子信息时，缺乏相互作用反而适得其反——因为现在你想让自旋相互作用！”那该怎么办？你不能同时拥有长寿的信息和信息交换——至少看起来是这样。“我们发现，通过在左点和右点之间放置一个大的细长的量子点，它可以在十亿分之一秒内调节自旋状态的相干交换，而不需要将电子从它们的点中移出。换句话说，我们现在同时具有快速的相互作用和脉冲栅极电极所需的空间。” 尼尔斯·玻尔研究所副教授Ferdinand Kuemmeth说。具有不同专业知识的研究人员之间的合作是成功的关键。内部合作不断提高纳米制造工艺的可靠性和低温技术的复杂性。事实上，在量子器件中心(Center for Quantum Devices)，目前正在深入研究实现固态量子计算机的三大有力竞争者，即半导体自旋量子比特、超导门控量子比特和拓扑Majorana量子比特。所有这些都是电压控制的量子比特，让研究人员可以共享技巧，共同解决技术难题。但Kuemmeth很快补充说：“如果我们一开始就无法获得极其干净的半导体晶体，那么所有这些都将是徒劳的。”材料工程学教授Michael Manfra对此表示赞同：“普渡大学在理解导致量子点安静和稳定的机制方面做了大量工作。很高兴看到这项工作为哥本哈根的新型量子比特带来好处。”这一发现的理论框架由澳大利亚悉尼大学提供。悉尼大学量子物理学教授Stephen Bartlett说：“作为一名理论学家，我对这一结果感到兴奋的是，它使我们摆脱仅依靠最近邻的量子比特的约束几何。”他的团队进行了详细的计算，为这一违反直觉的发现提供了量子力学解释。
总的来说，快速自旋交换的演示不仅是一项了不起的科学和技术成就，而且可能对固态量子计算机的体系结构产生深远的影响。原因在于距离：“如果可以可控地交换非相邻量子比特之间的自旋，这将允许网络状的实现，其中增加的量子比特与量子比特的连接将转换为显著增加的计算量子体量。” Kuemmeth预测。
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