這種量子計算平臺,可以在高於1K的溫度中運行了

2020-12-04 鈦媒體APP

新南威爾斯大學的 Andrew Dzurak 教授（右）

文｜學術頭條

量子比特是量子計算的基本單位。就像經典計算模擬位一樣，每個量子比特都表徵兩種狀態（0 或 1）進而形成二進位代碼。然而，與位不同的是，它可以同時顯示兩種狀態，即所謂的 「疊加」 狀態。

量子計算平臺有望在一系列重要問題上超越傳統計算機，從精確的藥物製造到搜索算法。然而，設計一種可以在真實環境中製造和運行的量子計算設備是一項重大的技術挑戰。

由於熱產生的振動會干擾量子比特進而影響其工作性能，現有的量子計算平臺需要冷卻至極低溫度。一般來說，平臺需要在約 0.1K（開爾文）即零下 273.05℃的溫度下運行，否則存儲在這些量子比特中的量子信息通常很快就會丟失，而達到這種溫度需要非常昂貴的成本和嚴苛的製冷技術。

本周三，《自然》雜誌同時發表兩篇論文，展示了可以在比現有技術高出數倍的溫度下運作的量子計算平臺。

德爾夫特理工大學 Menno Veldhorst 和他的研究團隊製作了一個能在 1.1K 溫度下運作的量子計算平臺。

新南威爾斯大學 Andrew Dzurak 和他的研究團隊演示了一個能在約 1.5K 的溫度下運作的量子計算平臺。

研究人員表示，雖然相對溫升很小，但對於將現有原型機擴展至更大更強的量子計算機來講，研究結果或能帶來重大的影響。同時，運行溫度的提高代表著現有量子計算平臺向實用性方面邁進的一個重要飛躍。

制約量子計算發展的溫度

想像一下如果將量子處理器單元插入傳統常溫的電子電路它們會怎麼樣呢，答案顯然是它們就會立即過熱。

一直以來，溫度是困擾量子計算平臺得到大規模應用的難題之一。在世界範圍內開發的大多數量子計算機只能以絕對零以上 0.1℃的溫度下運行，而達到這個溫度則需要數百萬美元的製冷設備。

因此通常來講，量子比特在特殊的 「冰箱」 中發揮作用，但它們仍由在室溫下工作的傳統電子設備控制，這也是阻礙技術進步的主要障礙。

現在，來自新南威爾斯大學的 Andrew Dzurak 教授和德爾夫特理工大學的研究員 Menno Veldhorst 領導的研究人員已經分別一定成都上解決了這個問題。

新南威爾斯大學的 Andrew Dzurak 教授（右）

Dzurak 解釋道：「添加到系統中的每個量子比特對都會增加產生的總熱量，並且增加的熱量會導致錯誤。這就是為什麼當前的設計必須保持接近絕對零度的主要原因。」

同時，Dzurak 教授表示：「我們的新成果為量子計算機從實驗設備到價格合理的量子計算機開闢了一條道路，可以在現實世界的商業和政府中得以應用。」

2019 年 2 月，Dzurak 的研究小組首次通過學術預印本檔案館（Academic Pre-print Archive）公布了他們的實驗結果。而在 2019 年 10 月，由 Dzurak 研究小組的前博士後研究員 Menno Veldhorst 領導的荷蘭小組宣布了使用 2014 年在新南威爾斯大學開發的相同矽技術的產生了類似結果。

世界相對兩側的兩個研究小組對這種熱量子比特（Hot Qubit）行為的確認，導致兩篇熱量子比特技術論文在今天的同一期《自然》雜誌上同時發表。

矽基量子比特技術

與世界上正在探索的大多數設計不同，在發表在《自然》雜誌的兩項獨立研究，分別報導了在溫度高於 1K（零下 272.15℃）的矽基量子計算平臺上進行的原理驗證性實驗。

Menno Veldhorst 和他的研究團隊製作了一個能在 1.1K 運作的量子電路，Andrew Dzurak 和他的研究團隊演示了一個能在約 1.5K 的溫度下運作的系統。

矽能把超過 1K 溫度下正常運作的材料很好地與周圍物質隔離開，因此這兩項研究都將電子在矽中的自旋作為量子比特。在這種極低的溫度下，「冰箱」 強大到可以允許引入局域電子來校正量子比特，研究人員認為這是將量子處理器擴展到百萬量子比特的必要條件之一。

由 Dzurak 帶領的研究團隊開發的單元包含兩個量子比特，它們被限制在嵌入矽的量子點中。這種矽材料擴大規模後可以使用現有的矽晶片工廠進行生產，並且可以使量子計算平臺無需數百萬美元的冷卻即可運行。使用矽的量子計算平臺與傳統的矽晶片集成起來也將更加容易，這將是控制量子處理器所必需的。

量子糾纏的藝術表現 圖源：QuTech

研究人員在矽晶片上進行量子處理器單元的概念驗證，其工作溫度為 1.5K，比 Google、IBM 等公司使用超導量子比特技術開發的主要競爭晶片技術高出 15 倍。

Dzurak 解釋說：「雖然這仍是一個非常低的溫度，但是僅用幾千美元的製冷價值就可以達到這個溫度，而不是將晶片冷卻到 0.1K，那將需要數百萬美元。雖然用我們日常的溫度概念很難理解，但是這種增長在量子世界中是極端的。」

德爾夫特理工大學博士生 Luca Petit 表示：「雖然溫度的升高僅有一點，但就可用的冷卻能力而言，這是一個巨大的飛躍。在這些溫度下，量子比特不再必須在真空中工作，而是可以浸入液體中，這使一切變得更加實用。」

研究人員相信，他們已經克服了阻礙量子計算機成為現實的最困難的障礙之一。

量子集成電路的未來

研究人員認為，將工作溫度提升至 1K 以上是一個重要的裡程碑，因為冷卻到這一臨界值以下既具有挑戰性同時成本高昂。

隨著溫度上升到 1K 以上，成本將大大降低，效率將顯著提升。此外，使用矽基平臺也是很有誘惑力的選擇，因為這將有利於使平臺集成使用現有矽基硬體的經典系統中。

舉個簡單的例子，能夠執行設計新藥物所需複雜計算的量子計算機，將需要數百萬個量子比特對，數百萬個量子比特的需求對設計人員提出了巨大挑戰。

當擴大量子比特的數量時，量子比特和電子器件之間的分離會引起問題。目前，需要一條單獨的電纜將每個量子比特連接到其控制電子設備上。當獲得一臺工作的量子計算機所需的數百萬個量子比特時，這不再可行。

在超低的溫度下，維持量子計算機有足夠的量子比特以供使用的前景令人望而生畏，原因在於這項技術成本高昂，並且將製冷技術推向了極限。

對於量子計算平臺未來的發展道路，Veldhorst 表示，現在量子技術的狀況與在 20 世紀 50 年代的計算機技術相似。

「那時，每個元器件都必須焊接在一起，這對于越來越大的電路需求來說是不可行的。這個問題的解決方案是集成電路。它使得直接在晶片上構建組件成為可能，最終使數十億電晶體被放置在同一個晶片上。」

Veldhorst 補充道：「我們正在努力建立一個包含越來越多高質量量子比特的系統。工作在 1.1K 的溫度下有極大的好處，我們現在可以開始考慮將量子硬體和經典硬體集成到一個晶片上。在這樣做的過程中，我們將創造量子集成電路。」

「 2015 年，我們首次展示了兩個可驗證的矽量子比特。現在到 2020 年，我們已經在實際溫度下取得了同樣的成就。再過五年，我們可能已經有了量子集成電路。那將是邁向未來量子計算平臺的一大步。」

參考資料：

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-04/uons-hqb040820.php

https://qutech.nl/hot-dense-and-coherent-scalable-quantum-bits-operate-under-practical-conditions/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2171-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2170-7

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