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两全其美：将经典和量子系统相结合，以满足超级计算需求

量子创投界

2021-08-13

导读：日本的一个科学家团队，通过观察表面自旋状态，在硅纳米晶体表面发现了一对纠缠在一起的质子，为未来的量子技术奠定基础。

（本文共1658字，预计阅读时间：5分钟）

（这项研究显示了量子纠缠如何显示其状态与分子氢的状态之间巨大的能量差异，有望以106个量子位和原子传送（H1H4）的顺序进行超快处理）

量子纠缠是自然界中最根本、最耐人寻味的现象之一。最近关于纠缠的研究已被证明是量子通信和信息处理的宝贵资源。现在，日本科学家在硅表面发现了一个稳定的量子纠缠状态，为经典和量子计算平台的有机结合打开了大门，并可能加强量子技术的未来。

量子力学中最有趣的现象之一是"量子纠缠"。这种现象描述了某些粒子是如何密不可分地联系在一起的，以至于它们的状态只能相互参照来描述。这种粒子相互作用也构成了量子计算的基础。这就是为什么近年来，物理学家一直在寻找产生纠缠的技术。然而，这些技术面临着许多工程障碍，包括创建大量"量子位"（量子位是量子信息的基本单位）、维持极低温度（<1 K）的需要以及使用超纯材料方面的局限性。表面或界面在量子纠缠的形成中至关重要。不幸的是，局限于表面的电子容易出现"不相干"，这种情况下，两种不同的状态之间没有明确的相位关系。因此，要获得稳定、连贯的量子位，必须确定表面原子（或等量质子）的自旋状态。

最近，日本的一个科学家团队，包括名古屋城市大学的松本高弘教授、楚大学的桥本贤二教授、日本原子能机构的高桥大原博士和高能加速器研究机构的池田修木博士，认识到了稳定量子位的必要性。通过观察表面自旋状态，科学家们在硅纳米晶体表面发现了一对纠缠在一起的质子。

首席科学家松本教授概述了他们研究的意义："质子纠缠以前在分子氢中观察到，在各种科学学科中起着重要作用。然而，纠缠状态仅在气体或液体相中发现。现在，我们已经在固体表面上检测到了量子纠缠，这可以为未来的量子技术奠定基础。他们的开创性研究发表在最近一期的《物理评论B》上。

科学家们使用一种称为"无弹性中子散射光谱"的技术研究自旋状态，以确定表面振动的性质。通过将这些表面原子建模为"谐波振荡器"，它们显示出质子的反对称性。由于质子是相同的（或无法区分的），振荡器模型限制了它们可能的自旋状态，导致强烈的纠缠。与分子氢的质子纠缠相比，这种纠缠在它们的状态之间隐藏着巨大的能量差异，确保了其寿命和稳定性。此外，科学家们在理论上证明了使用质子纠缠的太赫兹纠缠光子对的级联跃迁。

质子量子位与当代硅技术的结合可能导致经典和量子计算平台的有机结合，从而产生更多的量子位（106）比目前可用（102），以及用于新超级计算应用的超快处理。量子计算机可以处理复杂的问题，例如整数分解和“旅行商问题”，而这些问题实际上是传统超级计算机无法解决的。这可能是量子计算在存储、处理和传输数据方面的游戏规则改变者，甚至可能导致制药、数据安全和许多其他领域的范式转变，"松本教授乐观地总结道。

我们可能即将目睹量子计算的技术革命。

相关链接：

The best of both worlds: Combining classical and quantum systems to meet supercomputing demands (phys.org)

DOI: 10.1103/PhysRevB.103.245401

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