疫苗和药物开发、人工智能、运输和物流、气候科学——所有这些领域都将因全量子化计算机的开发而改变。已经有了爆炸性增长在量子计算投资在过去的十年。

然而,目前的量子处理器规模相对较小,不到100个量子比特- a的基本构建块量子计算机.位是计算中最小的信息单位,量子位一词来源于“量子位”。

虽然早期的量子处理器对展示量子计算的潜力至关重要,但实现全球重要的应用可能需要处理器超过一百万个量子位元

我们的新研究解决了扩大量子计算机规模的核心问题:我们如何从控制几个量子位元发展到控制数百万个量子位元?在研究今天公布的科学的进步,我们展示了一项可能提供解决方案的新技术。

量子计算机到底是什么?

量子计算机使用量子位来保存和处理量子信息。与经典计算机中的信息位元不同,量子位元利用自然界的量子属性,即所谓的“叠加”和“纠缠”,以比经典计算机更快的速度进行一些计算。

与用0或1表示的经典位不同,量子位可以存在于两个同时状态(即0和1)。这就是我们所说的叠加态。

示威活动的谷歌其他人已经表明,即使是目前处于早期阶段的量子计算机,在一项高度专业化(尽管不是特别有用)的任务上,也能超过地球上最强大的超级计算机——达到我们称之为量子霸权的里程碑。

谷歌的量子计算机由超导电路建造而成,只有53个量子比特,并在高科技冰箱中冷却到接近-273℃的温度。这种极端的温度是为了消除热量,热量会给脆弱的量子位元带来误差。虽然这样的演示很重要,但现在的挑战是构建带有更多量子位元的量子处理器。

新南威尔士大学悉尼分校(UNSW Sydney)正在努力用日常电脑芯片中使用的材料——硅——制造量子计算机。传统的硅芯片只有拇指指甲盖大小,封装在数十亿位元内,因此使用这种技术来建造量子计算机的前景是令人信服的。

的控制问题

在硅量子处理器中,信息存储在单个电子中,这些电子被困在芯片表面的小电极之下。具体来说,量子比特被编码到电子的比特中自旋.它可以被描绘成电子内部的一个小罗盘。指南针的指针可以指向北或南,代表0和1两个州。

使一个量子位处于叠加状态(两个都为01),一个在所有量子计算中都会发生的操作,一个控制信号必须指向所需的量子位。对于硅中的量子位,这种控制信号以微波场的形式存在,很像在5G网络中用于传输电话的信号。微波与电子相互作用,使电子自旋(指南针)旋转。

目前,每个量子位都需要自己的微波控制场。在零下273度的温度下,通过从室温一直延伸到冰箱底部的电缆,将其传送到量子芯片上。每根电缆都会带来热量,这些热量必须在到达量子处理器之前被移除。

在50个量子位元左右,这是当今最先进的技术,这是困难的,但可控的。目前的冰箱技术可以应对电缆热负荷。然而,如果我们要使用100万个或更多量子位元的系统,这将是一个巨大的障碍。

解决方案是“全球”控制

对于如何将控制信号传递给数百万自旋量子位元的挑战,一个优雅的解决方案是在20世纪90年代末提出.“全球控制”的想法很简单:在整个量子处理器上广播一个微波控制场。

电压脉冲可以局部应用于量子位电极,使单个量子位与全局场相互作用(并产生叠加态)。

在芯片上产生这样的电压脉冲要比产生多个微波场容易得多。该解决方案只需要一个单一的控制电缆和消除突出性的片上微波控制电路。

在20多年的时间里,全球控制量子计算机仍然是一个想法。研究人员无法设计出一种合适的技术,可以与量子芯片集成,并以适当的低功率产生微波场。

在我们的工作中,我们证明了一种称为介质谐振器的元件最终可以实现这一点。介质谐振器是一个很小的透明晶体,它能在短时间内捕获微波。

微波的俘获,一种被称为共振的现象,允许它们与自旋量子位相互作用更长时间,并大大降低了产生控制场所需的微波功率。这对于在冰箱内操作这项技术至关重要。

在我们的实验中,我们使用介质谐振器在一个可以包含多达四百万量子位元的区域上产生一个控制场。在这次演示中使用的量子芯片是一个有两个量子位元的装置。我们可以证明由晶体产生的微波可以改变每个晶体的自旋状态。

全尺寸量子计算机之路

在这项技术完成控制一百万个量子位元的任务之前,还有很多工作要做。在我们的研究中,我们设法改变了量子位元的状态,但还没有产生任意的叠加态。

实验正在进行中,以证明这种关键的能力。我们还需要进一步研究介质谐振器对量子处理器其他方面的影响。

也就是说,我们相信这些工程上的挑战最终将是可以克服的——消除实现大规模自旋量子计算机的最大障碍之一。谈话

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图片来源:Serwan项目/新南威尔士大学作者提供了

Jarryd Pla是一名电气工程师和实验物理学家,在量子信息处理(QIP)和更广泛的量子技术领域工作。他是前布拉格金奖得主和欧洲居里夫人国际研究员。贾里德在演示由硅芯片内的单个掺杂原子的电子和原子核组成的第一个量子比特方面发挥了重要作用。
安德鲁·祖拉克是基于硅的量子计算和纳米电子学的世界专家。他是新南威尔士大学科学教授和ARC奖获得者,专注于基于硅CMOS技术的量子处理器芯片的开发。自2006年以来,他一直担任ANFF-NSW的董事,澳大利亚国家制造设施(Australian National Fabrication Facility)的新南威尔士节点,一个基于大学的实验室网络。

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