可扩展量子计算的里程碑，量子点成为量子计算“拉锯战”中新的佼佼者

中央处理器(CPU)是计算机的核心，通过使用半导体技术构建，这种技术允许在一个芯片上放置数十亿个晶体管。现在，QuTech的研究人员已经证明，半导体技术可以用来构建一个二维量子比特阵列，作为量子处理器。

这项工作是可扩展量子技术的重要里程碑，研究成果以“A four-qubit germanium quantum processor”(4量子比特的锗量子处理器)为题，发表在《Nature》杂志上[2]。

量子计算机有潜力解决经典计算机无法解决的问题，尽管目前的量子设备已经有数十个量子比特了，但未来的通用量子计算机要想运行任意量子算法，是需要包含数百万到数十亿个量子比特的。

量子点量子比特有望成为一种可扩展的途径，因为它们可以使用标准的半导体制造技术来定义。领导QuTech此次工作的Menno Veldhorst表示，把4个这样的量子比特放入一个2x2的网格中，并对所有量子比特进行控制，然后通过量子线路纠缠所有的量子比特，完成所有的操作后，我们就向可扩展量子计算迈出了重要的一步。

图1｜Menno Veldhorst(团队领导人)和Nico Hendrickx(论文第一作者)站在承载锗量子处理器的装置旁（来源：QuTech）

1. 整个量子处理器

被困在量子点中的电子，尺寸只有几十纳米的半导体结构，却作为量子信息平台被我们研究了二十余载，依旧很难做到超越2个量子比特的扩展。

为了打破这一障碍，研究团队决定采取一种完全不同的方式，并开始研究锗的空穴(即电子缺失)。通过该方式，定义量子比特所需的相同电极也可以用来控制和纠缠它们。

论文的第一作者Nico Hendrickx表示，不需要在每个量子比特旁边添加大量附加结构，团队的量子比特几乎与计算机芯片中的晶体管完全相同。

此外，团队还能很好地控制它们，可以随意耦合量子比特。这样一来，他们就可以对1、2、3、4量子比特门进行编程，并有望实现高度紧凑的量子线路。

2. 二维才是关键

研究人员在2019年成功构建出第一个锗量子点量子比特后，他们芯片上量子比特的数量每年都会翻一番。

当然了，4个量子比特是不能造出一台通用量子计算机的。但通过将量子比特放置在一个2x2的网格中，研究人员现在知道如何沿着不同的方向控制并耦合量子比特了。

而任何集成大量量子比特的现实架构，都需要它们沿着两个维度互连。

图2｜使用半导体制造技术制造的4量子比特量子处理器示意图（来源：QuTech）

3. 一个高度通用的平台——锗

锗(Ge)和硅(Si)都属于碳族元素，是元素周期表上第14族(IVA族)的元素。同属于半导体量子计算的实现方式。

在锗中成功演示4量子比特逻辑，是量子点领域中目前最先进的技术。它标志着我们向密集、可扩展的二维半导体量子比特网格迈出了重要一步。

除了能与先进的半导体制造兼容外，锗还是一种用途广泛的材料，具有绝佳物理特性。例如自旋轨道耦合，它还可以与超导体等材料进行接触。

因此，锗成为几种量子技术中较为优秀的实现方式。研究人员现阶段在知道了如何制造锗，如何操作一个量子比特阵列后，锗的量子信息路线，可以真正开始了。

封面：

QuTech

引用：

[1]https://qutech.nl/2021/03/24/semiconductor-qubits-scale-in-two-dimensions/

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03332-6

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