技术突破！科学家首次实现同时操作多个半导体量子比特

光子盒研究院出品

哥本哈根大学量子物理学家报告了丹麦在量子技术领域的一项国际成就。通过在同一个量子芯片上同时操作多个自旋量子比特，他们克服了通往未来实用量子计算机道路上的一个关键障碍。

在迈向大型量子计算机的全球马拉松中，一个工程难题是同时控制许多量子比特。这是因为一个量子比特的控制通常受到施加到另一个量子比特的同步控制脉冲的负面影响。

现在，两位来自哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所Assoc研究团队的年轻量子物理学家——29岁的博士后Federico Fedele、32岁的助理教授Anasua Chatterjee——以及领导这个团队的Ferdinand Kuemmeth教授，成功地克服了这个障碍。

全球量子比特研究基于各种技术。虽然谷歌和IBM在基于超导技术的量子处理器方面已经取得了长足的进步，但哥本哈根大学的研究团队正在把赌注押在半导体量子比特上，即所谓的自旋量子比特。它们由被称为量子点的半导体纳米结构中捕获的电子自旋组成，这样各个自旋态就可以相互控制和纠缠。

自旋量子比特的优点是可以长时间保持其量子态。这有可能使自旋量子比特比其他平台执行更快、更完美的计算。而且，自旋量子比特尺寸非常小，以至于比其他量子比特方法可以将更多的量子比特压缩到一个芯片上。量子比特越多，计算机的处理能力就越强。该团队通过在单个芯片上制作和操作2×2阵列中的四个量子比特，扩展了现有技术。

自旋量子比特尺寸远小于超导量子比特。图中的8个自旋量子比特只是一个白点，右上角是放大图。注：这不是该团队在本文中的量子芯片。来源：哥本哈根大学

迄今为止，量子技术的最大焦点一直是制造越来越好的量子比特。现在是让它们相互交流的时候了。Anasua Chatterjee说：“现在我们有了一些非常好的量子比特，最重要的是将它们连接在可以操作许多量子比特的电路中，同时也足够复杂，能够纠正量子计算错误。到目前为止，自旋量子比特的研究已经发展到了电路包含2×2或3×3量子比特阵列的地步。问题是其他人的量子比特一次只能处理一个。”

Federico Fedele, Anasua Chatterjee, and Ferdinand Kuemmeth. 来源：哥本哈根大学

在他们的量子芯片中，四个自旋量子比特由半导体材料砷化镓制成，大小不超过细菌。位于四个量子比特之间的是一个更大的量子点，将四个量子比特相互连接起来，研究人员可以用它来同时调谐所有的量子比特。

Chatterjee表示：“我们的芯片真正创新和重要的一点是，我们可以同时操作和测量所有的量子比特。这在自旋量子比特以及许多其他类型的量子比特上都从未被证明过。”该团队的成果最近发表在《物理评论X Quantum》杂志上。

本文中半导体量子芯片的扫描电子显微照片。四个可调谐砷化镓(GaAs)双点的二维阵列，每个点实现一个单-三重态量子比特。所有栅电极(浅灰色)都连接到独立的调谐电压(Vi)。电子贮存器(黑条)连接到欧姆，其中四条线连接到电感器L1−4。通过向积累栅极施加正电压(VA)，形成四个耦合到细长多电子量子点(虚线椭圆)的双点(小虚线圆)。每个量子比特的电荷状态通过近端传感器点(S1−4)检测，方法是对L1−4应用频率复用反射计，并记录相关的零差检测电压VH1−H4。标注成黄色的栅电极通过偏置三通连接到同轴线，允许使用快速操作脉冲VC(t)、VLi(t)和VRi(t)。

能够同时操作和测量对于执行量子计算至关重要。事实上，如果你想在计算结束时测量量子比特，脆弱的量子态就会坍缩(从两种状态的叠加在测量后变为其中一种状态)。因此，测量同步就非常重要了，这样所有量子比特的量子态都会同时坍缩。如果一个接一个地测量量子比特，最轻微的环境噪声就会改变系统中的量子信息。

新电路的实现是半导体量子计算机漫长道路上的一个里程碑。指导这项研究的Kuemmeth教授说：“为了获得更强大的量子处理器，我们不仅要增加量子比特的数量，还要增加同时操作的数量，这正是我们所做的。”

目前，他们面临的主要挑战之一是芯片的48个控制电极需要手动调谐，并在环境漂移的情况下不断调整，这对人类来说是一项繁琐的任务。目前Kuemmeth的研究团队正在研究如何使用优化算法和机器学习来自动调谐。为了制造更大的量子比特阵列，研究人员已经开始与行业伙伴合作制造下一代量子芯片。

总的来说，计算机科学、微电子工程和量子物理的协同努力，可能会将自旋量子比特带往下一个里程碑。

参考链接：

[1]https://scitechdaily.com/innovative-chip-resolves-quantum-headache-paves-road-to-supercomputer-of-the-future/

[2]https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.040306

[3]https://arxiv.org/abs/2105.01392

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