傳統晶元技術進入量子計算戰場，硅材料或是一枚「加速器」

業內人士認為，用硅製造量子計算機意味著可以利用成熟的大規模製造技術來更容易地製造商用設備。

編譯 | Edison Ke

作者 | Davide Castelvecchi

來源 | Nature

在接下來的幾周里，荷蘭代爾夫特理工大學的一個研究小組預計將收到一份重要的快遞。它裡面裝著很可能加劇生產可用量子計算競爭的東西。

該包裹由位於俄勒岡州希爾斯伯勒的半導體巨頭英特爾的研發部門寄來，裡面是第一台利用傳統計算機硅晶元的製造技術製成的量子計算機。英特爾量子硬體開發負責人 James Clarke 表示，儘管硅技術目前落後於其它量子計算機的研發方法，但該公司仍希望這項技術能夠加速量子設備的發展，尤其是那些不只是用於驗證好奇心，而是真正旨在商用的發展。「我想你今年會聽到很多關於硅量子計算的消息。」Clarke 說。

這種相對溫和的設備代表了推動硅技術超越其他方法的最新舉措。一些科學家也表示，在硅路線上看到了希望。澳大利亞悉尼的新南威爾士大學的 Michelle Simmons 等物理學家正在自行開發用硅建造量子計算機的方法。2017 年 5 月，Simmons 創立了一個估值 8,300 萬澳元（約合 6,500 萬美元）的創業公司，名叫「Silicon Quantum Computing」（硅量子計算）。澳大利亞政府提供了部分資金支持。

量子計算機的目標在於利用兩個小尺度的現象來超越將比特信息編碼為 0 和 1 的傳統計算方法。在量子世界中，信息單位被稱為量子比特，每個量子比特可以同時存在於 0 和 1 的「疊加」中。兩個比特也可以糾纏，這樣一個量子比特的狀態就決定了與其糾纏的另一個量子比特的狀態。這使得量子裝置能夠並行地進行計算。

許多實驗室的物理學家已經開發出了原型量子計算機，但它們通常要在接近絕對零度的溫度下工作。這場計算競賽中的領跑者通常使用下列兩種方法之一來編碼這些量子比特：利用被困在勢阱中的單離子，或者利用在超導迴路中振蕩的電流。這兩種系統都需要精確的控制：離子技術使用複雜的激光系統來讀寫每一個量子比特，而超導量子比特必須各有一個裝置來用無線電波控制它們。

硅技術的支持者看到了使用半導體來編碼量子比特的巨大優勢。比如，這樣的量子比特可以更簡單地利用蝕刻在晶元上的微型電線來操控。而且，如果製造傳統晶元的大規模製造技術可以幾乎原樣遷移到量子領域，那麼，將技術轉化為商用產品就會變得更加容易。

漫漫長路

用硅製造量子計算機的想法並不新鮮。馬里蘭大學帕克分校的一位實驗物理學家 Bruce Kane 在 20 年前就首先建議利用嵌入於硅的磷原子核的磁定向（也就是自旋）來編碼量子比特。大約在同一時間，約克敦海茨的受雇於 IBM 的理論物理學家 David Di Vincenzo 和他的合作者，瑞士巴塞爾大學的 Daniel Loss 提出了一種在半導體內部移動電子的自旋中存儲信息的方法。這兩項建議都引入了一些實驗性的演示，但是長期以來，材料的質量限制了研究的進展。

新澤西州普林斯頓大學的物理學家 Jason Petta 表示，用硅材料製造一台量子計算機的嘗試受制於材料科學和工程領域多年來「不太快」的發展。Simmons 執掌的新南威爾士大學量子計算和通信技術中心的物理學家們已經做了大量的基礎工作。Simmons 開發了一種只需要極少控制導線的製造技術，可以避免量子設備擴大後不可避免的擁擠問題。「我想通過工程設計來擺脫一切不必要的東西，儘可能地簡化任務。」

在 2017 年，兩個團隊的研究均獲得了里程碑式的進展，他們設計出了第一個完全可控的雙比特硅元器件。Petta 和他的合作者實現了這一突破，代爾夫特的 Lieven Vandersypen 領導的另一個獨立團隊也完成了同一進展。

10 年間在代爾夫特累計投資高達 5,000 萬美元的英特爾目前正在為 Vandersypen 公司生產多量子比特電子自旋設備。公司在研發現行微處理器的工廠里進行量子設備的生產。他說，業內夥伴可以通過提供可靠的同類設備來提供幫助。

Clarke 說：「我們希望我們能夠通過加速自旋量子比特來與更成熟的方法競爭。」Simmons 的初創企業計劃在 5 年內建造一台 10 量子比特機。谷歌、IBM 以及其它一些公司和學術實驗室都在使用不同的技術來試圖構建約有 50 個超導量子比特的量子計算機——英特爾本身也在這個方向進行研發。英特爾正通過支持多種技術手段來對沖自己在研製量子計算機事業上的風險。

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