科学家称，一个简单的晶体最终会实现真正的大规模量子计算

当前，疫苗和药物开发、人工智能、运输和物流、气候科学等等领域，都将随着全尺寸量子计算机的发展而发生变化。在过去的十年里，针对量子计算的投资也出现了爆炸性的增长。

然而，目前的量子处理器规模相对较小，只有不到100个量子位 —— 量子计算机的基本构建块。 位是计算中最小的信息单位，术语量子位源于“量子比特（quantum bits）”。

虽然早期的量子处理器对于展示量子计算的潜力至关重要，但要真正实现全球重要的应用，可能就需要具有超过 100 万个量子位的处理器。

一项新的研究可能会解决扩展量子计算机的核心问题：我们如何从控制几个量子位元发展到控制数百万个量子位元？在今天发表在 Science Advances 上的研究中，科学家们揭示了一种可能提供解决方案的新技术。

量子计算机到底是什么?

量子计算机使用量子位来保存和处理量子信息。与经典计算机中的信息位元不同，量子位元利用自然界的量子属性，即所谓的“叠加”和“纠缠”，以比经典计算机更快的速度进行一些计算。

与用0或1表示的经典位不同，一个量子位可以同时以两种状态存在（即0和1）。这就是我们所说的叠加态。

谷歌和其他公司的演示表明，即使是目前处于早期阶段的量子计算机，在执行一项高度专业化（尽管不是特别有用）的任务时，也可以超过地球上最强大的超级计算机，达到我们称之为“量子霸权”的里程碑。

谷歌的量子计算机由超导电路建造而成，只有53个量子位元，并在高科技“冰箱”中冷却至零下273摄氏度以下。这种极端的温度是为了消除热量，热量会给脆弱的量子位元带来误差。虽然这样的演示很重要，但现在的挑战是构建带有更多量子位元的量子处理器。

新南威尔士大学悉尼分校（UNSW Sydney）正在尝试用日常电脑芯片中使用的材料 “硅” 制造量子计算机。传统的硅芯片只有拇指指甲盖大小，内部可以封装数十亿位元，因此使用这种技术来建造量子计算机的前景是令人信服的。

控制的问题

在硅量子处理器中，信息存储在单个电子中，这些电子被困在芯片表面的小电极下。具体来说，量子位被编码到电子的自旋中。它可以被描绘成电子内部的一个小指南针。指南针的指针可以指向北或南，分别代表0和1的状态。

要将量子位设置为叠加状态（0 和 1），这是所有量子计算中都会发生的操作，必须将控制信号定向到所需的量子位。对于硅中的量子位，这种控制信号采用微波场的形式，很像用于通过 5G 网络进行电话通话的信号。微波与电子相互作用并导致其自旋（罗盘指针）旋转。

目前，每个量子位都需要自己的微波控制场。它通过一条从室温到接近-273℃“冰箱”底部的电缆传送到量子芯片。因为每根电缆都会带来热量，所以这些热量必须在到达量子处理器之前被移除。

大约50个量子位，这是当今最先进的，这很困难但可以管理。 当前的“冰箱”技术可以应对电缆热负荷。 然而，如果我们要使用具有一百万或更多量子位的系统，这将会是一个巨大的障碍。

解决方案是“全局”控制

上世纪90年代末，科学家们提出了一种优雅的解决方案，以应对如何向数百万自旋量子位传递控制信号的挑战。 “全局控制”的想法很简单：在整个量子处理器上广播单个微波控制场。

电压脉冲可以局部施加到量子位电极，使单个量子位与全局场相互作用（并产生叠加态）。在芯片上生成这样的电压脉冲比生成多个微波场要容易得多。 该解决方案只需要一根控制电缆，并去除了显眼的片上微波控制电路。

二十多年来，量子计算机的全局控制仍然是一个想法。 研究人员无法设计出一种合适的技术，可以与量子芯片集成并以适当的低功率产生微波场。

在最近的这项新研究中，科学家们展示了一种称为“介质谐振器”的组件最终可以实现这一点。 介质谐振器是一种小型透明晶体，可在短时间内捕获微波。

微波的俘获，一种称为共振的现象，使它们与自旋量子位相互作用的时间更长，并大大降低了产生控制场所需的微波功率。 这对于在“冰箱”内运行该技术至关重要。

在该项研究的实验中，科学家使用介质谐振器在一个可以包含多达四百万量子位元的区域上产生一个控制场。虽然，在这次演示中使用的量子芯片是一个有两个量子位元的装置。但科学家可以证明晶体产生的微波可以反转每个晶体的自旋态。

通往全尺寸量子计算机的道路

实际上，在这项技术完成控制一百万个量子位元的任务之前，还有很多工作要做。在科学家的研究中，他们设法改变了量子位元的状态，但还没有产生任意的叠加态。

实验正在进行中，以证明这种关键的能力。科学家还需要进一步研究介质谐振器对量子处理器其他方面的影响。

也就是说，我们相信这些工程上的挑战最终将是可以克服的，未来将清除实现大规模自旋量子计算机的最大障碍之一。

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