量子测控的新纪录：12分钟内测量1024个量子比特

光子盒研究院出品

由英国伦敦大学和牛津大学的学者领导的英国量子计算初创公司Quantum Motion，取得了一个重要的里程碑：可以将数以千计的量子点设备与控制电子装置集成在一起，在绝对零度以上不到十分之一的温度下运行，并全部实现在一个商业半导体代工厂制造的单一硅芯片上。这为利用现有硅制造工艺大规模生产量子芯片奠定了基础。

该成果于10月24日在英国格拉斯哥举行的IEEE国际电子电路和系统会议上公布[1]。

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全新硅量子比特芯片：消除扩大规模的瓶颈

Bloomsbury芯片在显微镜下显示出它与印制电路板的导线连接

Quantum Motion公司的最新芯片——Bloomsbury，是由一家一级代工厂使用标准电子芯片制造中使用的相同的大规模生产流程制造的3x3mm²设备。但与普通计算机芯片不同的是，Bloomsbury包含成千上万的量子点，单个电子可以被逐一装入其中，作为量子比特。在这种设备的大规模表征方面的一个巨大飞跃中，该团队已经证明了如何在行业领先的12分钟内测量1024个面积小于0.1mm²的量子点。所有这些都是在几十毫开尔文（约-273摄氏度）的温度下实现的：这是自旋量子比特以最小错误率运行所需要的。

根据Quantum Motion的说法，从今天的小型量子处理器演示到大规模的量子计算机需要克服几个挑战。其中之一是简单地汇集足够多量子比特，能够使用现有的芯片制造技术大规模生产量子设备是解决这个问题的一个办法。

该公司说，另一个问题是如何在不需要大量连接到量子设备的情况下解决大型阵列中的每个单独的量子比特。实现这一点意味着不仅要用制造传统电子产品的相同工艺来制造量子设备，而且还要设计电子控制电路，使其能够在量子比特运行所需的低温下发挥作用。

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半导体技术结合量子物理：大规模生产量子芯片的潜力

“团队已经创建了定制的‘量子原语’(quantum primitives)，即传统CMOS电路构件的晶体管版本；我们可以用它来捕获单个电子，将这些（量子点）与我们设计的能在深低温下工作的传统电子器件集成在片上，使我们能够在只有九条线进入制冷机的情况下读出成千上万的量子器件。”Quantum Motion集成电路负责人Alberto Gomez Saiz说[2]：“它已经消除了扩大规模的主要瓶颈。”

“我们开发了高频读出技术和软件自动化，以便在12分钟内测量1024个量子点阵列，显示单电子行为。这比其他行业的效力快100倍，其他行业可能需要24小时或更长时间来读取同等数量的点。”

联合首席技术官John Morton称赞[3]，这是Quantum Motion公司的半导体工程师和量子物理学家跨学科努力的结果。Morton表示，这显示了通过使用先进的硅代工工艺来大规模生产量子芯片实现量子处理器的潜力。

这些芯片是在一家商业代工厂根据Quantum Motion的设计制造的，使用的是300毫米晶圆生产工艺，用于高产量和大批量的芯片制造。与晶圆厂紧密合作以取得这一成果，是实现可扩展的量子计算机道路上的一个重要里程碑。

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通用量子计算的里程碑

但是，业界距离看到能够实现对该技术的承诺的通用量子系统还有一段距离。

Cohen表示：“当说到通用的、大规模的量子计算机，这真的取决于你的意思。如果想达到所谓的容错的大规模量子计算机，这将需要10到15年，甚至20年。而这正是我们能够真正收获量子计算机全部潜力的时候，比如说，Shor算法，它打破了RSA代码。”

在此之前，有一些启发式算法有可能在未来5-7年内给量子计算机带来重大优势，Cohen声称，但在它们被尝试之前，我们不会知道。他把这种情况比作机器学习，在人们建立神经网络并发现它们对特定应用有用之前，机器学习是未经证实的技术。“所以人们正在建造这些机器来尝试，看看这些算法是否有效；想在未来有一个通用的量子计算机，也有很多工作需要做，而且需要从今天开始做。”

关于Quantum Motion

Quantum Motion正在开发一个革命性的技术平台；不仅仅是一个量子比特，而是一个可扩展的量子比特阵列，其基础是已经用于制造智能手机和计算机芯片的无处不在的硅技术。该公司正在开发与CMOS工艺兼容的容错量子计算架构。容错量子处理器将支持最强大的量子算法，目标是解决化学、医学和人工智能等不同领域目前难以解决的问题。

参考链接：

[1]https://2022.ieee-icecs.org/

[2]https://quantummotion.tech/quantum-industry-milestone-brings-mass-production-of-quantum-chips-closer/

[3]https://www.theregister.com/2022/10/31/quantum_motion_spin_qubit/

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