快200倍！澳大利亚量子计算最新进展
悉尼新南威尔士大学（UNSW ）的一群物理学家已经实现了一项研究成果，该研究成果是由科学家在20年前提出的关于量子计算机的一个愿景，即实现量子计算机核心部分的超快版本。
由澳大利亚年度人物米歇尔·西蒙斯教授领导的科学家们，在2018年完成了在硅原子量子比特之间的第一个双量子比特门，这是该研究团队建造原子级量子计算机的一个重要里程碑，主要的研究成果于2019年7月17日发表在《 Nature》期刊上。
双量子比特门是量子计算机的核心组成部分，新南威尔士大学团队这一版本是硅材料量子比特门中最快的，其可在0.8纳秒内完成一个操作，比现有自旋式双量子比特门快200倍。
在Simmons教授团队的研究方法中，双量子比特门是两个电子自旋的一种操作，类似于传统电子设备逻辑门的作用。该团队能够通过把两个原子放在比以往都要近的位置构建出一个双量子比特门，从而通过实时控制，进一步观察和测量它们的自旋状态，这是有史以来第一次有人能够实现这种操作。
在该团队独创的量子计算方法中，不仅需要在硅中放置单个原子量子比特，还需要对所有相关的电路进行初始化、且能够控制和读出纳米尺度上的量子比特。这种方法需要的精度很高，一直以来人们都认为这是不可能实现的。但是有了这个重要的方法以后，该研究团队现可将他们的技术转换成可扩展的处理器。
从左到右：Michelle Simmons教授，Sam Gorman博士，Yu He博士后，Ludwik Kranz博士生，Joris Keizer高级研究员，Daniel Keith博士生
硅量子计算公司的创始人，同时兼任量子计算与通信技术的卓越中心(CQC2T)主任Simmons教授说：过去十年的研究成果完美地让团队改变了对量子技术“边界”的认识，也证明了人类是可以突破该界限的。
硅原子量子比特保持着硅中量子比特最长相干时间的世界纪录，且具有最高的保真度。我们独特的制造技术，已经被证明了其能够以非常高的精度在硅原子量子比特上读取和初始化单个电子自旋的能力。我们还证明了原子级电路的噪声最低，且可用于连接半导体量子比特的任何系统。
以原子精度优化设备设计的各个方面，使我们能够构建一个真正快速、高精度的双量子比特，这是以硅为基础的可扩展量子计算机基本构件。
“我们已经证明，通过原子级量子比特来控制世界是有可能的。而且这种控制带来的好处也极具颠覆性，其中包括对系统运行速度的显著提高。”
新南威尔士大学科学系主任、教授Emma Johnston AO说：这篇论文进一步显示了Simmons教授的研究是多么具有开创性。
“这是Michelle团队证明他们可以实际使用原子量子比特构建量子计算机的最后的一个里程碑，而他们的下一个主要目标是构建一个10比特的量子集成电路，希望他们能在3到4年内实现这一目标。”
利用扫描隧道显微镜精确定位和封装硅中的磷原子，研究小组必须首先计算出两个量子比特之间的最佳距离，以便进行相关操作。
该制造技术能把量子比特精确地放到想要的位置，这让科学家们能够尽可能快地设计出双量子比特门，CQC2T的首席研究合著者Sam Gorman表示。
“自上次技术突破以来，我们不仅把量子比特的距离拉近了，而且还学会了以亚纳米级的精度控制设备设计的各个方面，以保持高保真度。
世界上第一个用原子设计的双量子比特。研究人员不仅将量子比特从上一次突破性研究的仅相隔13纳米的距离拉近了，而且还设计了亚纳米精度的所有控制电路。 他们的制造技术使他们能够非常接近量子比特，以实现强大的相互作用和非常快的门时间。
接下来，研究小组能够实时测量量子比特的状态是如何演变的。最令人激动的是，研究人员还展示了如何在纳秒级的时间里控制两个电子之间的相互作用力。
“而最重要的是，我们能够控制量子比特之间的电子的距离，从而有效地控制两者的相互作用力，这也是量子门的先决条件，”主要合著者Yu He说。
“我们独有的量子比特电子的严格限制的方法，以及我们系统中固有的低噪声使我们能够展示迄今为止最快的两个量子比特门。
“我们演示的量子门，即所谓的交换门（SWAP gate），也非常适合在量子比特之间传输量子信息，当其与单个量子比特结合时，可以运行任何量子算法。”
物理上不可能的事？现在不是了,Simmons教授说，这是二十年以来研究的巨大成就。“只要能够在最短的距离内控制量子，我们就能够影响两个原子之间的相互作用，而且还能在不打扰另一个原子的情况下令其单独作用。这简直令人难以置信，很多人在此之前也认为这是不可能的。”她说。
“我们一直以来坚信：如果我们能规模的控制量子比特，那么它们的速度就会很快，而事实证明确实如此！”
Joris Keizer，Michelle Simmons和Yu He在CQC2T
在Michelle Simmons教授的研究中，量子比特（Quantum）是由硅中磷原子上的电子构成的。通过精确定位和封装硅芯片中的单个磷原子来创建量子比特是Simmons教授团队在全球领先的独特方法。由于其具有长期稳定性，将有望应用于大型量子计算机。
量子潜力：能够工作的大型量子计算机有可能改变信息经济并催生未来产业。量子计算机能够在几小时甚至几分钟内解决问题，而这些问题是经典计算机、超级计算机需要几个世纪才能完成，甚至超级计算机也无法在有用的时间内解决的棘手问题。量子技术潜在的应用包括机器学习、调度和后勤规划、财务分析、股票市场建模、软件和硬件测试、药物快速设计和测试，以及早期疾病检测和预防。
关于硅量子计算（SQC）：自2017年5月以来，澳大利亚第一家量子计算公司SQC以CQC2T开发的一套知识产权和自有的知识产权为理论基础，一直致力于构建量子计算机并使其商业化。 SQC最初由澳大利亚联邦政府、Telstra公司、澳大利亚联邦银行和新南威尔士州组建，获得超过8,000万美元资助。
该公司的第一个目标是提供一个10-qubit硅集成电路，作为澳大利亚硅量子计算机发展的前驱。
注：以上图片均来自https://newsroom.unsw.edu.au/
CQC2T：量子计算和通信技术卓越中心，以硅为基础构建量子计算机，目前的技术在世界范围内处于领先地位。其还进行世界级研究：光学量子计算和量子信息技术。该中心总部设在新南威尔士大学，由来自澳大利亚九个主要研究机构的200多名研究人员组成。中心成员与超过25个正式国际合作伙伴一起，代表世界上最强大的团队之一，共同致力于构建通用量子计算机和安全通信系统。
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延 伸 阅 读
01 新发现：量子计算与引力扯上“大关系”了
02 独特的量子计算方法即将应用于化学领域
03 超越1和0：增加多值逻辑晶体管的可行性
04 量子计算机如何实现量子霸权
05 第一次揭示硅中双量子位计算的准确性
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