澳洲公司宣称找到了控制十亿量子比特的方法

光子盒研究院出品

2021年8月，来自澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的量子团队宣传发现了一种新技术，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。近日，同一团队表示[1]，发现了一种新的方法，可以精确控制运行逻辑门的量子点中的单个电子。更重要的是，这种新机制不那么笨重，需要的部件也更少，这可能被证明是使大规模硅量子计算机成为现实的关键，甚至是十亿个量子比特。

使用新的“内在自旋-轨道EDSR”过程控制多个量子比特。

控制量子点中自旋的全新方法

UNSW的衍生公司Diraq的量子处理器工程师、本文第一作者Will Gilbert博士说[2]：“这是一个我们以前从未见过的全新效应，我们一开始并不十分理解。但很快就明白了，这是一种控制量子点中自旋的强大新方法。这让人超级兴奋。”

逻辑门是所有计算的基本构件，它们允许“比特”或二进制数字（0和1）一起工作来处理信息。然而，一个量子比特同时存在于这两种状态，这种情况被称为“叠加”。量子叠加允许多种计算策略：指数级速度、同时运行，这是经典计算机无法比拟的。

量子比特本身由“量子点”组成，可以捕获一个或几个电子的微小纳米器件。因此，对电子的精确控制对于计算非常必要。

全新方法：本征自旋-轨道电偶极自旋共振

在对控制量子点的仅有十亿分之一米大小的设备进行不同的几何组合实验，以及对驱动其运行的各种类型的微型磁铁和天线进行实验时，Diraq的测量工程师Tuomo Tanttu博士发现了一个奇怪的效应。

“我试图真正准确地操作一个双量子比特门，通过很多不同的设备、不同的几何形状、不同的材料堆和不同的控制技术进行迭代，然后这个奇怪的峰值就出现了。它看起来像是其中一个量子比特的旋转速度在加快，这是我在运行这些实验的四年里从未见过的。”

工程师们后来意识到，他所发现的是一种通过使用电场，而不是他们之前使用的磁场来操纵单个量子比特的量子态的新方法。自2020年发现以来，工程师们一直在完善这项技术；如今，它已成为实现Diraq在单个芯片上建造数十亿个量子比特的野心的另一个工具。

量子点内持有的单个量子比特在回应微波信号时翻转。

Gilbert表示：“”这是一种操纵量子比特的新方法，而且建造起来不那么笨重。我们不需要在量子比特旁边制造钴质微磁体或天线来产生控制效果。它消除了在每个门周围放置额外结构的要求。因此，更加有序。

在不干扰附近其他电子的情况下控制单个电子，对于硅的量子信息处理至关重要。目前有两种既定的方法：使用片上微波天线的电子自旋共振（ESR）；以及依赖于一个诱导梯度磁场的电偶极自旋共振（EDSR）。新发现的技术被称为“本征自旋-轨道EDSR”。

“通常情况下，我们设计的微波天线是为了提供纯粹的磁场，”Tanttu博士表示，“但这种特殊的天线设计产生了比我们想要的更多的电场，这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子比特的新效应。”

脉冲电子自旋轨道光谱（PESOS）

澳大利亚悉尼的Diraq实验室鸟瞰图。

有望实现十亿量子比特的硅量子计算

“这是一个全新机制，增加了我们在过去20年研究中开发的专利技术库。”Diraq公司首席执行官兼创始人、新南威尔士大学量子工程教授Andrew Dzurak教授说，他领导的团队在2015年建立了第一个硅的量子逻辑门。

“它建立在我们的工作基础上，使硅中的量子计算成为现实，基于与现有计算机芯片基本相同的半导体元件技术，而不是依赖外来材料。由于它基于与当今计算机行业相同的CMOS技术，我们的方法将使其更容易、更快地扩展到商业生产，并实现我们在单个芯片上制造数十亿量子比特的目标。”

CMOS（互补金属氧化物半导体）是现代计算机的核心制造工艺。它被用于制造各种集成电路元件：包括微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路，以及图像传感器和数据转换器等模拟电路。

单个量子比特的插图，当开始响应微波信号而加速时，电子开始在量子点内摇晃。

建立量子计算机被称为“21世纪的太空竞赛”——这是一个艰难而雄心勃勃的挑战，有可能为解决其他不可能的计算提供革命性的工具，如复杂药物和先进材料的设计，或快速搜索大量未分类的数据库。

“我们经常认为登陆月球是人类最伟大的技术奇迹，”Dzurak说：“但事实是，今天的CMOS芯片有数十亿个操作器件集成在一起，这是一个令人震惊的技术成就，它彻底改变了现代生活。量子计算将同样令人震惊。”

虽然这家公司非常雄心勃勃，但存在一个问题，无论他们的方法可以控制百万还是十亿量子比特，在目前这个阶段是无法实验验证的，因为人类无法还实现如此多的量子比特。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01280-4

[2]https://phys.org/news/2023-01-method-billion-qubit-quantum-chips-closer.html

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