在生活中，大多数人会尽量避免纠缠，无论是与不怀好意的人还是令人担忧的大麻绳球。在量子世界中，纠缠是未来超快量子计算机的必要步骤。根据今天《自然》杂志上发表的一项研究，物理学家已经成功纠缠了十亿个量子比特，也称为量子位。但这项研究中最重要的一部分是纠缠发生的地点——在硅中——因为鉴于当今大部分计算都诞生于硅技术的熔炉中，这意味着研究人员可能更容易将量子计算机整合到我们目前的设备中。量子纠缠发生在一种粒子的量子态与另一种粒子的量子态关联时，因此你无法测量一个粒子而不影响另一个粒子。在这项由英国牛津大学的约翰·莫顿领导的研究中，研究人员对电子和磷原子的自旋进行了对齐——也就是说，粒子被纠缠了。
牛津大学的研究团队成员斯蒂芬妮·西蒙斯说：“生成纠缠的关键是首先通过使用强磁场和低温来对齐所有自旋……一旦实现这一点，就可以通过精心定时地使用微波和射频脉冲使自旋相互作用，从而产生纠缠，然后证明它已经形成。”[路透社]
如果当前的纠缠实验是一个烹饪食谱，它会是这样的：首先，在硅晶体中嵌入十亿个磷原子，将其冷却到接近绝对零度，然后施加一系列无线电和微波脉冲。这些脉冲基本上是在玩弄磷原子核及其电子的自旋，直到每个原子核的自旋都与其中一个电子的自旋匹配。你最终会得到十亿对纠缠粒子，形成一个两量子位的系统。这是一个重大的突破，但研究人员并没有止步于此。
英国牛津大学的约翰·莫顿（领导该团队）表示：“在硅中以高保真度创建十亿对纠缠粒子是我们向前迈出的重要一步……我们现在需要处理将这些对耦合在一起以在硅中构建可扩展量子计算机的挑战。”[路透社]
旋转的粒子很好，但它们与计算有什么关系呢？量子计算机究竟是如何计算的？
莫顿说，要将其变成硅量子计算机，团队必须创建一个“巨大的二维纠缠网格”，其中原子核与其他磷原子核以及电子纠缠在一起。他说，为了实现这一点，电子将被输送到结构中，像线一样将纠缠态缝合在一起。通过按特定顺序测量电子自旋，就可以执行计算。[新科学家]
这样的量子计算机将比传统计算机运行得快得多。与你桌上的设备不同，量子计算机不受二进制位的0和1的限制。在奇妙的量子力学世界里，粒子可以同时存在于多个状态——它们可以被置于几种可能状态的“叠加”态中。这意味着量子计算机中的量子位可以同时包含几个不同的值。
理论上已经证明，通过并行运行计算，使用许多处于叠加态的量子态，量子计算机可以解决经典计算机需要无限长时间才能解决的问题，例如运行Shor算法，该算法将大数分解为素数，并可用于破解互联网上最强大的加密算法。[Nature News]
总之，量子计算机将产生前所未有的计算能力，能够运行——以及破解——越来越复杂的算法。尽管对这项研究取得的量子飞跃感到印象深刻，但科学家们已经在考虑量子计算故事中的下一个挑战。
英国布里斯托大学的量子计算专家杰里米·奥布莱恩说：“这项工作很好，令人印象深刻。”但他表示，真正需要的是能够进行额外的纳米制造，将电极放在硅芯片上，以独立寻址每个原子核和电子对，这项技术将需要使硅中纠缠的自旋超过两个。他说：“这将令人印象深刻。”[Nature News]
尽管量子计算机在进入你的客厅和日常设备之前还有很长的路要走，但得益于成功的硅纠缠，那一天正在到来。相关内容：80beats：物理学家能让量子纠缠肉眼可见吗？
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图片：斯蒂芬妮·西蒙斯
