半导体量子计算机取得重大突破：缩小为桌面设备

光子盒研究院出品

要证明量子计算机在实际应用中的作用，需要数百万个量子比特。可扩展性是未来设备发展的最大挑战之一。其中一个问题是，量子比特必须在芯片上彼此非常接近，以便将它们耦合在一起。于利希研究中心和亚琛工业大学的研究人员现在已经向解决这个问题迈进了一大步：他们成功地将电子(量子信息的载体)在一个半导体量子芯片上传输了几微米，他们的“量子总线”(quantum bus)可能是扩展到数百万量子比特的关键部件。

带量子总线的半导体量子芯片

量子计算机有可能在某些任务上大大超过传统计算机的能力。但是，在它们能够帮助解决现实世界的问题之前，还有很长的路要走。许多应用需要具有数百万量子比特的量子处理器。今天的原型机只是提出了一些这样的计算单元。

于利希研究中心JARA量子信息研究所和亚琛工业大学的Lars Schreiber博士说[1]：“目前，每个单独的量子比特通过几条信号线连接到大约一个橱柜大小的控制单元。这对几个量子比特来说仍然有效。但如果你想在芯片上放置数百万个量子比特，这就不再有意义了。因为那是量子纠错所必需的。”

在某种程度上，信号线的数量成为了一个瓶颈。与微小的量子比特的尺寸相比，这些线路占用了太多的空间。而且，一个量子芯片不可能有数以百万计的输入和输出：一个现代的经典芯片只包含大约2000个这样的输入和输出。Schreiber与于利希研究中心和亚琛工业大学的同事一起，几年来一直在进行研究，以找到解决这一问题的办法。

他们的总体目标是将部分控制电子设备直接集成在芯片上：该方法基于由硅和锗制成的半导体自旋量子比特。这种类型的量子比特相对较小。其制造过程与传统的硅处理器的制造过程基本一致。当涉及到实现非常多的量子比特时，这被认为是有利的。但首先，必须克服一些基本的障碍。

Lars Schreiber博士（左二）和Hendrik Bluhm教授（右一）与JARA量子信息研究所的博士生Tom Struck（左一）和Niels Focke（右二）在一起。

Schreiber说：“仅由粒子的接近引起的自然纠缠被限制在一个非常小的范围内，大约100纳米。为了使量子比特耦合，它们目前必须被放在非常靠近对方的地方。根本没有空间来安装我们想安装的额外控制电子装置。”

为了将量子比特分开，JARA量子信息研究所（IQI）提出了一个量子穿梭机(quantum shuttle)的想法。这个特殊的部件应该有助于在更远的距离上在量子比特之间交换量子信息。研究人员已经研究了“量子总线”5年，并已经申请了10多项专利。这项研究是作为欧洲QuantERA联盟Si-QuBus的一部分开始的，现在正与工业伙伴一起在德国联邦教育和研究部（BMBF）的国家项目QUASAR中继续进行。

器件布局和穿梭脉冲。a）用于器件的三栅极层设计的彩色扫描电子显微照片(SEM)。b）电压迹线Vi(t)在电子穿梭期间应用于电连接的栅极组。c）Si量子阱中的电势差ΔEp的静电模拟。d）电荷图，其中穿梭脉冲的幅度在x轴上变化，通道栅极上的总电压偏移沿y轴变化。

IQI研究所所长Hendrik Bluhm教授解释：“从一个量子比特到下一个量子比特必须有大约10微米的桥接。根据理论，数以百万计的量子比特可以通过这样的架构实现。我们最近与于利希研究中心的中央工程、电子和分析研究所的电路工程师合作预测了这一点。”代尔夫特理工大学和英特尔的研究人员也得出了同样的结论。

Lars Schreiber和他的团队现在已经实现了一个重要的步骤：他们成功地将一个电子在560纳米的距离上传送了5000次而没有任何明显的错误：这相当于2.8毫米的距离。该成果发表在科学杂志《npj量子信息》上[2]。

一个重要的改进是：电子是通过四个简单的控制信号来驱动的，与以前的方法相比，这些信号不会随着距离的增加而变得复杂。这一点很重要，因为否则就需要大量的控制电子设备，这将占用过多的空间：或者根本无法集成到芯片上。

这一成就是基于一种新的电子传输方式。“迄今为止，人们一直试图专门引导电子绕过其路径上的个别干扰；或者他们创造了一系列所谓的‘量子点’，并让电子从这些量子点中的一个跳到另一个。这两种方法都需要精确的信号调整，这导致了太过复杂的控制电子设备。”Lars Schreiber解释说：“相反，我们产生一个电势波，电子在上面简单地冲浪，越过各种干扰源。对于这样一个均匀的波来说，几个控制信号就足够了：四个正弦波脉冲就够了。”

PGI-11的量子计算机已经缩小到一个桌面设备的大小

下一步，物理学家们现在想表明，电子自旋中编码的量子比特信息在运输过程中不会丢失。理论计算已经表明，在某些速度范围内，这在硅中是可能的。因此，量子总线为可扩展的量子计算机架构铺平了道路，它也可以作为几百万量子比特的基础。

参考链接：

[1]https://www.fz-juelich.de/en/news/archive/press-release/2022/key-element-for-a-scalable-quantum-computer?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news

[2]https://www.nature.com/articles/s41534-022-00615-2

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