今天，世界上第一个原子级量子集成电路诞生

光子盒研究院出品

澳大利亚量子计算制造商Silicon Quantum Computing (SQC)今天宣布推出世界上第一个在原子尺度上制造的量子集成电路(量子处理器)，并利用该处理器首次解决了理查德·费曼在63年前提出的难题[1]。这是SQC与新南威尔士大学Michelle Simmons教授团队合作实现的，后者是SQC的创始人，并将于7月1日正式就任CEO。

目前，我们常见的量子计算芯片，无论超导、离子阱还是光子芯片，都是肉眼可见。SQC表示，他们制造了世界上第一个原子级量子集成电路，需要通过扫描隧道显微镜等工具才能一探究竟。

Intel超导量子芯片(左上)；Xanadu光子芯片(右上)；SQC原子级集成电路(下)。前两者为实物照片，后者为扫描隧道显微镜下的图像。

Simmons团队在2012年宣布制造了世界上第一个单原子晶体管，并提出到2023年实现原子级量子集成电路的目标，Simmons透露实际上提前两年(2021年底)达成了目标。他们的处理器由10个量子点链组成。在6月22日发表于《自然》杂志的一篇论文中[2]，他们使用这种量子处理器准确地模拟了有机化合物聚乙炔的结构和能量状态，最终证明了该团队技术的有效性。

Simmons教授将其描述为她职业生涯中最大的成果。“这是一个重大突破。由于原子之间存在大量可能的相互作用，今天的经典计算机甚至难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的发展使得该公司及其客户为一系列新材料构建量子模型，无论是药物、电池材料还是催化剂。用不了多久，我们就能开始发现以前从未存在过的新材料。”

Simmons团队

为了实现第一个原子级量子集成电路，SQC利用了原子工程的三项独立技术：

第一个是制造尺寸均匀的小原子点(即量子点)，使它们的能级对齐，电子可以很容易地穿过它们。

第二个是能够单独调谐每个点的能级，但也可以集体调谐所有点的能级，以控制量子信息的传递。

第三个是团队能够以亚纳米精度控制点之间的距离，使点足够接近，但保持独立，以便电子在链上的量子相干输运。

Simmons教授说，选择一条由10个原子组成的碳链并不是偶然的，因为它在经典计算机能够计算的大小范围内，在该系统中有多达1024个独立的电子相互作用。如果将其增加到20个点的链，可能的相互作用的数量将呈指数增长，这使得经典计算机很难求解。

她说：“我们已经接近了经典计算机的极限，所以这就像是从边缘走向未知。”

不同角度的效果图。在集成电路中由10个量子点组成的链。

澳大利亚工业和科学部长Hon Ed Husic对SQC的工作表示认可[3]，SQC提前两年推出了世界上第一个在原子尺度上制造的集成电路，并在开发基于硅的量子计算方面处于世界领先地位。“澳大利亚的研究能力为在国内和与我们志同道合的国际合作伙伴建立强大的量子产业奠定了基础。”

通过世界上首个原子级量子集成电路，Simmons团队和SQC第一次解决了诺贝尔物理学奖获得者、量子计算概念提出者、著名理论物理学家理查德·费曼在63年前提出的难题。

1959年，费曼在演讲《Plenty of Room at the Bottom》中断言，如果你想了解大自然是如何运作的，那么你必须能够在构成物质的相同长度尺度上控制物质——也就是说，你必须能够在原子的长度尺度上控制物质。费曼首次提出这一基础理论63年后，Simmons团队证明了这一猜想。

该团队选择处理聚乙炔——一种化学式为(C₂H₂)_n的碳基分子链，其中n代表两个氢原子和两个碳原子的重复模式。

聚乙炔的符号图，显示碳原子和氢原子之间的单键和双键。

聚乙炔中的原子通过共价键结合，共价键是原子共享外层电子的强分子键。单键意味着两个键合原子共享一个外层电子。双键表示两个共享电子。聚乙炔链中碳原子之间交替的单键和双键使该分子成为物理化学中一个有趣的研究对象。

Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型是一种众所周知的分子理论表示，它考虑了原子及其电子之间的相互作用，并解释了化合物的物理和化学性质。“这是一个众所周知的问题，你可以用经典计算机解决。然而经典计算机能够观察所有相互作用的原子数量很少。但现在我们是在量子系统中进行的。”Simmons说[4]。

聚乙炔的球杆模型显示了碳原子(深灰色)和氢原子(浅灰色)之间的单键和双键。

该团队如何在他们的量子设备上模拟聚乙炔？

Simmons解释道：“我们正在做的是让实际的处理器本身模拟碳-碳单键和碳-碳双键。我们以亚纳米级的精度设计，试图模拟硅系统中的这些键。这就是为什么它被称为量子模拟器。”

利用机器中的原子晶体管，研究人员模拟了聚乙炔中的共价键。

根据SSH理论，聚乙炔中有两种不同的情况，称为“拓扑状态”——“拓扑”是因为它们的几何形状不同。

在第一种情况下，你可以在碳-碳单键处切断链，所以在链的末端有双键。在第二种情况下，你切断双键，在链的末端留下碳-碳单键，并由于单键的距离较长，将两端的两个原子隔离开来。当电流通过分子链时，这两种拓扑状态表现出完全不同的行为。

在这项工作中，该团队构建了由十个量子点组成的链，并用它们来模拟所谓的SSH模型。

Simmons说：“在我们的整个装置中只有两种原子——磷和硅。我们去掉了所有其他东西，所有的接口、电介质、所有在其他架构中引起问题的东西，我们只有这两种原子。在概念上很简单，但显然很难制造。这是一个很好的、干净的、物理的、可扩展的系统。

她补充说：“挑战在于如何将原子放置到位，然后如何知道它在那里？我们花了整整十年的时间才弄清楚让磷原子进入硅基质以使其受到保护的化学过程。我们使用的技术之一是扫描隧道显微镜(STM)，一种光刻工具。”

在将一块硅板放入真空中后，研究团队首先将衬底加热到1100℃，然后逐渐冷却到350℃左右，创建了一个平坦的二维硅表面。然后硅被氢原子(可以用STM探针选择性地单独去除)覆盖。磷原子被放置在氢层中新形成的间隙中，然后整个氢层被另一层硅覆盖。

在原子尺度上模拟的SQC量子装置。

Simmons表示：“我们没有使用单个原子来模拟碳原子，而是使用了25个磷原子。”

该团队发现他们能够控制电子沿着链的流动。他们证明，对于由10个点组成的链，只需要6个电极就可以做到这一点。所以，电极比实际的点数量少很多。这对扩展非常有利。因为从根本上说，在量子计算机中，你希望与有源元件相比，门的数量更少，否则它扩展的效果会很差。”

Simmons认为，他们的设备不仅符合SSH理论，而且量子计算机很快将开始模拟甚至超出我们最佳理论的问题。“这为我们打开了一扇通向我们以前从未想象过的事物的大门。”

该设备与其他量子计算机有类似的缺点——特别是，庞大的制冷机带来高成本和高能耗问题，需要接近绝对零度。

出于商业机密的考虑，Simmons对SQC在这次初步展示后正在进行的项目避而不谈。但她确实表示:“我们希望尽可能将它应用于不同的领域，看看我们能有什么发现。”

参考链接：

[1]http://sqc.com.au/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-worlds-first-quantum-integrated-circuit/

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

[3]https://www.minister.industry.gov.au/ministers/husic/media-releases/quantum-breakthrough-fuel-australian-industry

[4]https://cosmosmagazine.com/technology/quantum-computer-coherent-silicon/

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