量子纠缠是自然界中最基本和最有趣的现象之一。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上发现了两个质子的稳定量子纠缠态，为经典计算平台和量子计算平台的有机结合打开了大门，并有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密不可分，以至于它们的状态只能参照对方来描述。这种粒子相互作用也构成了量子计算的基础。然而，这些技术面临许多工程障碍，包括在创建大量“量子比特”（量子比特，量子信息的基本单位）方面的限制、需要保持极低的温度 (<1 K)，以及使用超纯材料。表面或界面对于量子纠缠的形成至关重要。不幸的是，限制在表面上的电子容易发生“退相干（Decoherence）”，即两种不同状态之间没有确定的相位关系。因此，为了获得稳定、相干的量子比特，必须确定表面原子（或等同于质子）的自旋状态。
图 | 研究展示了量子纠缠如何显示出与分子氢不同的状态之间的巨大能量差异，有望实现 106 个量子比特和原子隐形传态 (H1H4) 量级的超快速处理（来源：NCU Takahiro Matsumoto教授）
近日，日本的一个科学家团队，包括名古屋市立大学的Takahiro Matsumoto教授、中央大学的Hidehiko Sugimoto教授、日本原子能机构的Takashi Ohhara博士和高能加速器研究组织的Susumu Ikeda博士，通过观察表面自旋状态，科学家们在硅纳米晶体的表面发现了一对纠缠的质子。首席科学家Matsumoto教授概述了他们研究的意义：“质子纠缠前期已在分子氢中观察到，并在各种科学学科中发挥重要作用。然而，纠缠态仅在气相或液相中发现。现在，我们已经在固体表面检测到量子纠缠，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》（Physical Review B）上。科学家们使用一种称为“非弹性中子散射光谱”（Inelastic Neutron Scattering Spectroscopy）的技术研究了自旋状态，以确定表面振动的性质。通过将这些表面原子建模为“谐振子”（Harmonic Oscillators），他们展示了质子的反对称性。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，导致强纠缠。与分子氢中的质子纠缠相比，纠缠在其状态之间具有巨大的能量差异，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。质子量子比特与当代硅技术的融合可能导致经典和量子计算平台的有机结合，使量子比特的数量（106个）比目前可用的（102个）多得多，并为新的超级计算应用提供超快速的处理。Matsumoto教授表示“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’，而传统超级计算机几乎无法解决这些问题。”“这可能是量子计算在存储、处理和传输数据方面的一个游戏规则的改变，甚至有可能导致制药、数据安全和许多其他领域的范式转变。”
论文链接：
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.103.245401
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