基于半导体的量子计算机开始走向可扩展性

光子盒研究院出品

在为超越半导体的物理限制而开发的大量替代计算方法中，量子计算仍然是一个重要的研究领域，顶尖大学和数十亿美元的公司正在努力实现这项技术所承诺的功能和性能。

在本文中，我们将研究三篇来自著名大学和研究机构的科学论文。这些论文的共同点是克服这些问题，并采取下一步扩展量子处理器。

传输半导体量子比特

来自亚琛工业大学和德国于利希研究所的物理学家们正在研究一种增加量子处理器内的量子比特数量的新方法，他们在9月发表了[1]关于为携带量子信息的粒子开发一个稳定运输过程的发现。

带有量子总线的半导体量子芯片，是尤利希研究所和亚琛工业大学的合作成果。

利用硅和锗的自旋量子比特（基于电子和电子空穴的自旋的量子比特），Lars Scheiber博士领导的团队能够创建一个“量子总线”，能够在560纳米的距离内传输电子5000次而不会遇到任何重大错误。

与其他需要精确的信号调整和复杂的控制电子的引导电子的方法相反，亚琛工业大学和于利希团队提出的方法实现了一个简单得多的系统，只使用四个正弦波作为控制信号，产生一个电位波，根据科学家们的说法，电子可以简单地降低干扰。

尽管减少干扰解决了量子计算中最大的挑战之一，但Scheiber博士的团队还没有在实践中证明他们的量子比特在运输后保留了电子自旋编码的数据，然而他们的理论计算证明，在某些电子速度范围内使用硅可以实现这一点。

作为欧洲QuantERA联盟的一部分，“量子总线”目前是十多项申请专利的基础，显示出有希望的结果，因为它可能是一次连接和控制数百万量子比特的关键，而不需要目前量子计算机设计所依赖的大规模基础设施。

增加相互连接的自旋量子比特的数量

2022年9月，代尔夫特理工大学量子计算研究所QuTech的一组科学家宣布了他们在开发一种新的基于硅的量子处理器扩展方法方面的发现[2]。

由Lieven Vandersypen教授领导的团队创建了一个六自旋量子比特的硅芯片，使用了一个间隔90纳米的基于电子的量子点阵列，形成了一个与传统半导体晶体管非常相似的形状。

六个量子比特量子处理器的图片。通过调整芯片上的红、蓝、绿三条线的电压来创建量子比特。

根据研究论文，这种结构可以用微调的微波辐射、磁场和电势来控制，用于在单个量子比特上读写信息，以及使它们相互作用，并创建量子逻辑门和每个两个或三个电子的纠缠系统。这样，Lieven Vandersypen教授的芯片在通用操作、状态准备和量子比特的测量方面取得了可观的保真度，同时与其他架构相比，错误率有所下降，这是朝着创建基于硅的容错量子计算机迈出的宝贵一步。

这项研究与其他研究的不同之处在于，QuTech团队能够在使用熟悉的半导体制造方法生产的芯片上增加量子比特数量的同时保持精度，而超导量子计算机则需要更复杂的基础设施来开发。

量子启发式处理器的可扩展性

该领域的另一项突破来自于东京理科大学（TUS）。由Takayuki Kawahara教授领导的研究团队正在研究一种新的方法[3]，并在9月宣布，以实现可扩展和完全耦合的量子启发设备：退火处理器或简称退火器。

虽然不一定利用粒子的量子特性，但退火器能够通过模拟伊辛模型的行为（描述相互作用的磁体的自旋）来有效解决诸如投资组合、物流和交通流优化等问题。

Kawahara教授的架构在28纳米CMOS逻辑中开发（模拟退火，而不是量子退火：如D-Wave的量子退火器研究），具有512个完全耦合的自旋，于2020年首次在IEEE SAMI会议上提出，尽管当时这种设计由于单个自旋之间的互连数量而难以扩展。

现在，该团队设计了一种新的方法，他们系统的能量状态的计算在多个芯片阵列中进行，然后由一个控制芯片收集，形成最终的能量结果，用于更新模拟旋转的值。

TUS的研究人员提出了一种全连接的可扩展退火处理器。该方法使用一个由多个耦合芯片和一个控制芯片组成的阵列计算器。

这使得该研究小组能够开发出该系统的新版本，即384个旋转的FPGA实现，根据他们的测试，与CPU模拟相比，该系统能够以584倍的速度解决优化问题，并且能效提高46倍。

Kawahara教授希望进一步研究并创建一个定制的LSI芯片，以提高他们方法的容量、性能和效率，希望能改善需要解决复杂优化问题的领域，如药物研究和材料科学。

这一切对未来意味着什么？

显然，2022年对量子计算来说是一个积极和充满希望的结束。虽然在开发拥有数百万而非少量量子比特的量子处理器方面还有很长的路要走，但本文所涉及的研究为解决困扰这一领域的一些最大挑战提供了新的思路。

研究电子运输，开发容错的自旋量子比特系统，以及通过使用传统电子技术模拟量子结构，可能是规避量子力学定律所带来的限制的关键，并将量子计算机带出实验室，进入现实世界，解决现实世界的复杂问题。

参考链接：

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

[2]https://qutech.nl/2022/09/28/full-control-of-a-six-qubit-quantum-processor-in-silicon/?cn-reloaded=1

[3]https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/archive/20220928_3810.html

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