量子計算機「熱」了15倍!科學家將量子計算平臺運行溫度提至1...

2020-12-16 騰訊網

新智元報導

來源：IEEE等

編輯：張佳

量子計算的極度深寒開始融化。

世界各地正在開發的大多數量子計算機只能在約0.1開爾文（-273.05℃）的極寒溫度下工作。這需要數百萬美元的製冷，一旦將它們插入傳統的電子電路，它們就會立即過熱。

目前的量子計算機最高可達50個量子比特，但科學家預計量子計算機將需要數百萬個這樣的量子比特來完成一些任務。而在更高溫度下工作的能力是擴大到未來商業級量子計算機所需的許多量子比特的關鍵。

而日前，兩個物理學家小組在Nature上發表了最新研究，表示他們已經獨立製造出可以在1開爾文以上的溫度下工作的量子設備，這種溫度比競爭對手所能承受的溫度高出15倍。

HongWen Jiang

加州大學洛杉磯分校的物理學家、兩篇論文的同行評審員HongWen Jiang將這兩項研究描述為「基於半導體的量子計算的技術突破」。

John Gamble

「對我來說，這些研究確實代表了矽自旋量子比特的一系列重大裡程碑，」微軟高級量子工程師、其中一篇論文的同行評審員John Gamble表示：「這是一項引人注目的工作。」

新南威爾斯大學團隊：1.5開爾文溫度下進行單量子比特運算

Henry Yang（左）和Andrew Dzurak（右）

第一個研究來自澳大利亞新南威爾斯大學的Andrew Dzurak和Henry Yang領導的團隊，題為「Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin」。研究團隊在1.5開爾文的溫度下，在量子處理器上進行了單量子比特運算。

論文地址：

在當今的量子計算機中，必須將量子比特保存在大型稀釋制冷機中，且溫度剛剛高於絕對零度。操縱和讀取量子比特所需的電子設備會產生過多的熱量，因此會留在制冷機之外，這就增加了系統的複雜性（以及許多電線）。

在這項新研究中描述的更高溫度下，控制電子設備可以直接放在同一晶片上的量子比特附近。該系統無需使用使用氦-3和氦-4同位素的稀釋制冷機，僅使用氦-4即可冷卻。這應該會減少建造量子系統的成本——Dzurak描述了潛在的差異，從幾百萬美元到幾千美元。

代爾夫特理工大學團隊：1.1 開爾文的溫度下進行雙量子比特運算

第二個研究來自代爾夫特理工大學Menno Veldhorst領導的團隊，題為「Universal quantum logic in hot silicon qubits」。研究團隊在1.1 開爾文的溫度下進行了一個雙量子比特運算。英特爾量子硬體主管Jim Clarke是該論文的合著者之一。

論文地址：

在一個量子點中，幾個電子聚集在一起形成一個矽自旋量子比特。 新南威爾斯大學的團隊為他們的實驗創造了兩個量子比特，每個包含三個電子；代爾夫特團隊創造了兩個量子比特，每個分別包含一個和五個電子。

為了用它們進行計算，新南威爾斯大學的研究小組施加了一個交流電場，而代爾夫特的研究小組則使用交流磁場來操縱電子自旋，使自旋指向上(1)、下(0)或同時指向兩個方向——一種稱為疊加態的量子狀態。

代爾夫特團隊演示了兩個量子比特的操作，其中兩個量子比特的自旋緊密相連，因此一個量子比特上的操作可以由另一個量子比特的狀態控制。這樣就可以在一系列的量子比特上對邏輯進行編程。

Menno Veldhorst

「如果你有單獨的量子比特，你可以製造任意數量的量子比特，」 Veldhorst 說： 「但只有它們之間的互動才能讓你做些有用的事情。」

用這些量子比特進行計算的一個關鍵是找到一種方法來操縱它們，並在比傳統量子方法所允許的更高溫度下讀出結果。為了實現這一目標，兩個團隊都採用了一種稱為Pauli自旋封鎖的技術。

使用這種技術，只有當電子的自旋相反時，電子才能被迫佔據相同的量子點。如果它們的自旋匹配，電子將停留在它們各自的阱中。這種讀出方法已在以前的實驗中應用於矽自旋量子比特，為了實現跨多個量子比特的計算。

群雄逐鹿，實用量子計算機或許還要等8-10年

展望未來，Gamble有興趣看看研究小組是否可以擴展他們的方法，以包括更多的量子比特。他對他們迄今為止的努力感到鼓舞，他說，「事實上，我們正在看到這些類型的進步，這意味著該領域正在取得真正的進展，人們正在思考正確的問題。」

Lee Bassett

賓夕法尼亞大學專注於量子系統的物理學家Lee Bassett表示，研究人員將需要找到一種方法來改善相干時間，即在1開爾文下量子比特的存在時間。其他量子技術記錄的相干時間約為100微秒，但發表在Nature上的論文描述的相干時間只有幾微秒。

不過，總的來說，Bassett說，這些結果增強了他對矽自旋量子比特的信心，因為矽自旋量子比特是實用量子計算機的有希望的途徑。

他說：「這是一個重要的裡程碑，每次這些矽器件通過一個裡程碑，它就離拐點越來越近，」他說： 「這種集成的、基於矽的電子產品的基礎架構可能會取而代之，而這項技術可能是一個引爆點。」

Jim Clarke

雖然英特爾也在研究超導量子比特，Clarke說，該公司現在把大部分研究工作集中在矽自旋量子比特上。「自旋量子位看起來很像電晶體，」他說：「英特爾每年出貨400個四極電晶體。」

同時，谷歌和IBM在超導量子比特上投入了大量資金。D-Wave的商用量子退火器也使用超導量子比特。微軟正在研究拓撲量子比特，而總部位於馬裡蘭州的IonQ公司則押注使用捕獲的離子作為量子比特。

Clarke表示，新的進步並沒有改變我們實現實用量子計算機的時間表，它只是加強了我們原來的時間表。他補充說：「實際上，大約要等8至10年，我們才能擁有能夠以傳統計算機無法實現的方式改變你我生活的量子系統。」

參考連結：

https://phys.org/news/2020-04-hot-qubits-biggest-constraints-quantum.html

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/quantum-computing-milestone-researchers-compute-with-hot-silicon-qubits

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