量子计算突破！工程师发现可以制造超高量子位芯片的技术

澳大利亚工程师偶然发现了一种控制电子的新方法，电子在量子计算中发挥着关键作用。这一突破可能为将十亿量子比特的量子计算机芯片变为现实打开大门

以下是您需要了解的有关量子计算的信息：

计算机使用“位”——二进制数字（0 和 1）来处理信息，但量子位 (qubit) 同时存在于这两种状态。

量子位允许计算机以指数方式更快地运行，同时执行无数计算。

量子比特由“量子点”组成，量子点是捕获一个或多个电子的微小纳米级装置。

控制这些电子的自旋是让量子比特在超高速计算机中工作的关键。

量子计算初创公司 Diraq 和 UNSW Sydney 的研究人员发现了一种全新的自旋控制方法，它依赖于电场，而不是科学家使用的典型磁场。该团队并没有预料到会发现这一突破，但它的发现可能很快就会使建造大型硅量子计算机成为可能。

“这是一种我们以前从未见过的全新效应，起初我们并不十分了解，”主要作者、Diraq 的量子处理器工程师 Will Gilbert 博士在媒体发布会上说。“但很快就很清楚，这是一种控制量子点自旋的强大新方法。那真是太令人兴奋了。”

艺术概念中的单个量子位包含在量子点中，以响应微波信号而翻转

该团队是如何取得量子突破的？

2020 年，Tuomo Tanttu 博士正在试验纳米级设备的不同组合来控制量子点，以及驱动它们运行的微型磁铁和天线。就在这时，奇怪的事情发生了。

“我试图真正准确地操作一个双量子位门，遍历许多不同的设备、略有不同的几何形状、不同的材料堆叠和不同的控制技术，”Diraq 的测量工程师 Tanttu 博士回忆道。“然后就冒出了这个奇峰。看起来其中一个量子比特的旋转速度正在加快，这是我进行这些实验四年来从未见过的。”

后来，工程师们意识到这可以作为一种操纵单个量子位的量子态的新方法。然而，这个过程没有使用磁场，而是利用了电场。自发现以来，该团队一直在完善他们独特的量子过程。如果他们成功了，它可以让 Diraq 构建一个承载数十亿个量子比特的单一计算机芯片。

“这是一种操纵量子位的新方法，而且构建起来体积更小——你不需要在量子位旁边制造钴微磁体或天线来产生控制效果，”吉尔伯特解释道。“它消除了在每个门周围放置额外结构的要求。所以，杂乱少了。”

研究作者称这种新技术为“固有自旋轨道 EDSR”。目前，有两种既定的方法可以在不干扰附近其他电子的情况下控制电子——这是在硅中创建量子计算机的必要步骤。

一种是电子自旋共振 (ESR)，它使用片上微波天线。另一种是电偶极子自旋共振 (EDSR)，它依赖于感应梯度磁场。

单个量子位开始响应微波信号而加速，并且电子开始在量子点内嘎嘎作响的插图

“通常，我们将微波天线设计为提供纯磁场，”Tanttu 博士说。“但是这种特殊的天线设计产生了比我们想要的更多的电场——结果证明这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子比特的新效应。这对你来说是意外之喜。”

这可能引发下一次计算机革命

研究作者解释说，互补金属氧化物半导体 (CMOS) 是所有现代计算机核心的构建过程。它有助于创建从微处理器、微控制器和存储芯片到图像传感器和数据转换器等模拟电路的一切。

“这是新机制的瑰宝，它只是增加了我们在过去 20 年研究中开发的专有技术宝库，”Diraq 的首席执行官兼创始人、量子工程教授 Andrew Dzurak 教授说。

早在 2015 年，Dzurak 教授就带领团队在硅中构建了第一个量子逻辑门。

Dzurak 补充说：“它建立在我们的工作之上，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组件技术，而不是依赖奇异材料。” “由于它基于与当今计算机行业相同的 CMOS 技术，我们的方法将使它更容易、更快地扩大商业生产规模，并实现我们在单个芯片上制造数十亿个量子比特的目标。”

科学家和工程师将成功构建功能性量子计算机称为“21 世纪的太空竞赛”。这样做可以让科学家们在眨眼之间放大不可能的计算——可能会导致普通计算机需要数年才能达到的新解决方案。

“我们经常认为登月是人类最伟大的技术奇迹，”Dzurak 总结道。“但事实是，今天的 CMOS 芯片——将数十亿个操作设备集成在一起，像交响乐一样工作，而且你可以随身携带——这是一项惊人的技术成就，它彻底改变了现代生活。量子计算将同样令人惊讶。”