UNSW宣称已找到控制数百万自旋量子比特的方法

光子盒研究院出品

来自澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的量子工程师消除了量子计算机成为现实的一个主要障碍：他们发现了一种新技术，号称将能够控制数百万个自旋量子比特——硅量子处理器中的基本信息单元。

量子计算机工程师和科学家一直在研究量子处理器的概念验证模型，迄今为止只演示了对少数量子比特的控制。但通过8月13日发表在《科学进展》杂志上的最新研究，UNSW团队发现了他们认为量子计算机架构中“缺失的拼图”应该能够控制极其复杂的计算所需的数百万个量子比特。

Jarryd Pla博士和Andrew Dzurak教授已经解决了如何可靠地控制不只是几个而是数百万个量子比特的问题。照片来自：新南威尔士大学

新南威尔士大学电气工程与电信学院的教员Jarryd Pla博士说，他的研究团队希望破解困扰量子计算机科学家数十年的问题：

如何在不占用宝贵的空间、不需要更多的布线和电能，也不会产生更多的热量的情况下，控制不只是几个而是数百万个量子比特。

“到目前为止，控制电子自旋量子比特依赖于将电流通过量子比特旁边的电线来传递微波磁场，”Pla博士说。

“如果我们想要扩展到量子计算机解决全球重大问题(例如新疫苗的设计)所需的数百万个量子比特，这将会面对一些真正的挑战。”

“首先，磁场随着距离的增加下降得非常快，所以只能控制那些离导线最近的量子比特。这意味着随着引入越来越多的量子比特，我们需要添加越来越多的导线，这将占用芯片上的大量空间。”

Pla博士还说到，由于芯片必须在低于-270°C的极低温度下运行，引入更多的导线会在芯片中产生过多的热量，从而影响量子比特的可靠性。

“所以基于这种技术，我们只能控制几个量子比特，”Pla博士说。

这个问题的解决方案包括对硅芯片结构的完全重构。

研究小组没有在同样需要包含数百万个量子比特的缩略图大小的硅芯片上安装数千条控制线，而是研究了从芯片上方产生磁场的可行性，这个磁场可以同时操纵所有的量子比特。

这种同时控制所有量子比特的想法最早是由量子计算科学家在1990年代提出的，但是没有人想出可行的方法来做到这一点——直到现在。

“首先，我们移除了量子比特旁边的导线，然后想出了一种在整个系统中传递微波频率的磁场控制场的新方法。因此，原则上，我们可以提供多达400万个量子比特的控制场，”Pla博士说。

Pla博士和团队直接在硅芯片上方引入了一个新的元件——称为介质谐振器的晶体棱镜。当微波进入谐振器时，它会将微波的波长聚焦到更小的尺寸。

“介质谐振器将波长缩小到1毫米以下，因此我们现在可以非常有效地将微波功率转换为控制所有量子比特自旋的磁场。”

“这里有两个关键创新。首先，我们不必投入大量能量来为量子比特提供强大的驱动场，这意味着我们不会产生太多热量，这点是非常重要的。第二是整个芯片的磁场非常均匀，因此数百万量子比特都会具有相同的控制水平。”

介质谐振器被放置在数以百万计的量子比特之上，然后它可以以一种统一的方式控制所有量子比特。

尽管Pla博士和他的团队开发了原型谐振器技术，但是他们没有实际的硅量子比特来测试它。因此，他与新南威尔士大学的工程同事、科学教授Andrew Dzurak进行了交流，Dzurak团队在过去十年中展示了使用与制造传统计算机芯片相同的硅制造技术完成的第一个也是最准确的量子逻辑门。

Dzurak教授说：“当Jarryd向我提出他的新想法时，我完全被震惊了，因此，我们立即着手研究如何将它与我的团队开发的量子比特芯片整合在一起。我们团队最好的两名博士生参与了这个项目，我团队的Ensar Vahapoglu 和Jarryd团队的James Slack-Smith。”

“当实验证明成功时，我们欣喜若狂。如何控制数百万个量子比特的问题困扰我很长时间，因为它是构建全尺寸量子计算机的主要障碍。”

曾经在80年代梦想过，使用数千个量子比特来解决具有商业意义的问题的量子计算机现在可能距实现不到十年了。此外，由于量子计算机能够对极其复杂的系统进行建模，因此有望为解决全球挑战和开发新技术带来新的动力。

气候变化、药物和疫苗设计、代码解密和人工智能都将从量子计算技术中受益。

接下来，该团队计划使用这项新技术来简化近期硅量子处理器的设计。

“移除芯片上的控制线，可以为额外的量子比特和构建量子处理器所需的所有其他电子设备腾出空间。这使得下一步生产具有数十个量子比特的设备的任务变得更加简单，”Dzurak教授说。

“虽然在制造具有100万个量子比特的处理器之前还有一些工程挑战需要解决，但我们对于现在已经有办法来控制它们这件事感到兴奋，”Pla博士说。

参考链接：

https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/missing-jigsaw-piece-engineers-make-critical-advance-quantum-computer-design

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