石墨烯的加入，新量子装置使人类离第二次量子革命真正又近一步

一组来自中国、美国、芬兰和俄罗斯的科学家们已经证明，温差可以用来使正常导体中与超导结构接触的电子对，纠缠在一起。

该实验发现以“Thermoelectric current in a graphene Cooper pair splitter”为题发表在《自然通讯》杂志上[2]，有望为量子装置带来强大的应用，使人类离第二次量子革命又近了一步。

图1｜论文（来源：Nature Communications）

由芬兰阿尔托大学Pertti Hakonen教授领导的研究小组表明，热电效应提供了一种在新装置中产生纠缠电子的新方法。

1."可怕的"超距相互作用

Hakonen教授表示，量子纠缠是新型量子技术的基石。然而，这一概念多年以来一直困扰着许多的物理学家，包括爱因斯坦，他非常担心这种可怕的超距相互作用。爱因斯坦把对纠缠的质疑形容为“鬼魅般的超距作用” (spooky action at a distance)，可见对这一特殊行为的“惊讶”程度。

图2｜量子纠缠（来源：makeagif）

在量子计算中，纠缠将独立的量子系统融合为一个整体，从而成倍地增加了总体计算能力。莫斯科物理技术学院（MIPT）的Gordey Lesovik教授解释说，纠缠也可以用于量子密码学，实现远距离安全交换信息。

以上，考虑到纠缠对于量子技术的重要性，研究人员的首要目标是能够轻松可控地制造纠缠。

2.用热力缠绕电子

为此，研究人员设计了一种将超导体分层的石墨烯和金属电极的装置。芬兰阿尔托大学的科研人员解释道，超导性是由“库珀对”的纠缠电子对引起的，利用温差，研究人员使它们分裂，随着每个电子被移动到不同的普通金属电极上，但即使电子之间相隔甚远，它们仍然纠缠在一起。

图3｜装置的彩色合成扫描电镜图像（来源：Nature Communications）

除了实际影响外，这项工作具有重要的根本意义。实验表明，“库珀对”分裂过程是超导结构中，将温差转化为相关电信号的机制，所开发的实验方案也可能成为原始量子热力学实验的平台。

3.“觉醒”中的芬兰

实验使用芬兰阿尔托大学的基础研究设施OtaNano[3]进行，OtaNano为芬兰的纳米科学技术和量子技术的研究，提供了最为先进的工作环境与设备。

OtaNano由芬兰阿尔托大学和VTT（芬兰国家技术研究中心）共同运营，面向国际学术研究和商业用户，此次的研究还得到了芬兰科学院量子技术卓越中心（QTF）的资助。

图4｜芬兰阿尔托大学（来源：InnoEnergy）

芬兰作为一个资源匮乏、人口稀少的小国，在科技创新能力上的实力却不容小觑。

2020年一月，芬兰阿尔托大学和瑞典隆德大学的研究人员们，就建造出了一种能够检测样品电子温度基本波动的纳米装置，可以检测到由于单个微波光子的发射而引起的能量变化，且检测过程不会受到任何干扰。

而这种细微温度变化的成功检测，代表着基础物理学的进步与发展。且这种“量子热量计”也可用于超导量子计算机中，量子系统的非侵入式测量。

图5｜细微温度变化的测量可以帮助监测超导量子计算机（来源：Physics World）

时隔不到一年，去年十一月初，芬兰量子计算初创公司IQM就宣布，其完成了3900万欧元（约合人民币3亿）的A轮融资，已筹集的资金总额为7100万欧元（约合人民币5.5亿）。其中，腾讯也参与了此次融资。

十一月下旬左右，芬兰VTT技术研究中心和IQM达成协议，建立创新合作伙伴关系，并开始建造芬兰的第一台量子计算机。

这次合作将汇集量子技术方面的顶尖专家，实现芬兰量子能力的飞跃，芬兰政府已为该项目提供了2070万欧元（约合人民币1.6亿）的资金。

可见，昔日巨头诺基亚的产国芬兰，对于科技的追求只增不减。

这是不是也意味着，诺基亚的没落使曾经自豪的芬兰人，逐渐意识到创新的重要性，激发起国民的量子技术意识了呢。

加上全球的量子技术科技格局，暗流涌动，科技大潮，静观其变。

图6｜“觉醒”中的芬兰（来源：BusinessCulture）

参考链接：

[1]https://www.aalto.fi/en/news/entangling-electrons-with-heat

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-20476-7

[3]https://www.aalto.fi/en/otanano

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