在矽當中達成 100 億位元的量子糾結

10 billion bits of entanglement achieved in silicon
http://www.physorg.com/news/2011-01-billion-bits-entanglement-silicon.html

January 20, 2011

(PhysOrg.com) -- 來自牛津大學的科學家首度在矽當中成功地產生 100 億位元的量子糾結（quantum entanglement），朝向超快速量子電腦跨出重要的一步 -- 糾結是關鍵因素，那允諾使量子電腦遠比傳統運算裝置更加強大。

研究者利用高磁場與低溫使電子與一個磷原子的原子核間產生糾結。磷原子則嵌在高度純化的矽晶體中。電子與原子核表現像是個微小磁鐵，或「自旋子（spin）」，每一個都能代表一位元的量子資訊。在適當控制下，這些自旋子彼此互動從而被誘哄成糾結態 -- 這種最基本的狀態是傳統電腦所無法仿效的。

一個來自英、日、加、德的國際性團隊，本週在 Nature 上報告他們的成就。

"產生糾結的關鍵首先是透過高磁場與低溫使所有自旋子排列，" 牛津大學材料系的 Stephanie Simmons 表示，此論文第一作者。"這件事一旦達成，就能利用小心定時的（timed）微波與射頻脈衝使自旋子彼此交互作用，藉此創造出糾結，然後證明那已產生。"

此研究對於將原子摻雜到矽（現代電腦晶片的基礎）之現有技術的整合有著重要的影響。此過程能平行應用到大量磷原子上。

"在矽當中創造出 100 個具高度精確性的糾結對（entangled pairs），對我們來說是重要的一步，" 共同作者牛津大學材料系的 John Morton 博士表示，他領導這個團隊。"我們現在需要面對將這些糾結對耦合在一起的挑戰，以便在矽當中建立一個擴充性佳的量子電腦。"

最近幾年，在建構駕馭量子特性的新技術上，量子糾結已被視為一項關鍵因素。被愛因斯坦著名地描述成「鬼魅般的超距作用（spooky action at distance）」 -- 當二物體糾結後，只描述一個而不描述另一個是不可能的事，而且對於某一物體的量測也將揭露關於另一個物體的資訊，即使它們相隔數千英里。

創造出真正的糾結涉及跨越我們日常生活中所遇到的「普通不確定性」以及量子世界之「奇特不確定性」之間的障礙。例如，翻一個硬幣，有 50% 的機率會是人頭面朝上，50% 是文字面朝上，但我們無法想像硬幣落地時，人頭面與文字面會同時都朝上：一個像電子自旋子這樣的量子物體能辦到這件事。

Dr Morton 說："在高溫下，自旋子指向不同方向的混合狀態剛好是 50/50 ，不過在正確的條件下，所有的自旋子能同時指向相反的方向。辦到這件事對於自旋糾結的產生至關緊要。"

※ 相關報導：

＊ Entanglement in a solid-state spin ensemble
http://www.nature.com/nature/journal/v470/n7332/full/nature09696.html

Stephanie Simmons, Richard M. Brown, Helge Riemann,
Nikolai V. Abrosimov, Peter Becker, Hans-Joachim Pohl,
Mike L. W. Thewalt, Kohei M. Itoh, John J. L. Morton
Nature 470, 69–72 (03 February 2011)
doi: 10.1038/nature09696

＊ 由千億個電子自旋所構成的量子電腦
＊ 量子電腦：在微晶片上傳遞量子資訊的量子天線

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