眼見為實：精確原子量子位實現了量子計算的重大里程碑

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】澳大利亞獨特的製造量子位的方法是在硅中精確定位單個原子，從而獲得了巨大的回報，新南大學的悉尼科學家首次展示了他們可以讓兩個原子量子「相互交談」。由新南威爾士大學(UNSW)教授米歇爾·西蒙斯(Michelle Simmons)領導的研究小組是世界上唯一一個能夠在固態中看到其量子位的精確位置的群體。該研究中心是量子計算和通信技術(CQC2T)的卓越中心主任。Simmons的團隊通過精確定位和封裝矽片中的單個磷原子來創建原子量子。信息存儲在單個磷電子的量子自旋上。該團隊的最新進展——第一次觀察到兩個量子比特之間的可控相互作用——發表在《自然通訊》雜誌上。在此之前，還有另外兩項突破，使用這種獨特的方法來構建量子計算機。

一種掃描隧道顯微鏡圖像，顯示了由磷原子在硅中精確定位的量子比特的電子波函數。圖片版權：UNSW

通過優化他們的納米製造工藝，Simmons的團隊最近也創造出了任何半導體器件中記錄最低的電子雜訊的量子電路。他們創造了一種電子自旋量子比特，這是一種納米電子設備的最長壽命——30秒。西蒙斯說：這三篇研究論文的綜合結果證實了使用我們的原子量子位構建多量子位系統的前景非常有希望。由理查德·費曼(Richard Feynman)創作的《2018年澳大利亞人》(Australian of the Year)。西蒙斯說，她的團隊開創性的工作是受到已故物理學家理查德·費曼的啟發，正在系統地執行這一戰略，從地面到原子。在將磷原子放在硅中製造量子位時，我們已經證明了我們可以使用掃描探針直接測量原子的波函數，它告訴我們它在晶元中的確切物理位置，我們是世界上唯一能看到我們的量子位在哪裡的群體。

我們的競爭優勢是可以把高質量的qubit放到晶元上，看看我們做了什麼，然後測量它的行為。我們可以在附近再加一個qubit，看看這兩個波函數是如何相互作用的。然後我們就可以開始產生我們所創造的設備的複製品了。在這項新的研究中，研究小組放置了兩個量子位——一個由兩個磷原子組成，一個由單個磷原子組成——在一個硅晶元中分離出16納米。研究報告的合著者Matthew Broome博士說：用類似精密技術在晶元上的電極，控制了這兩個相鄰量子點之間的相互作用，所以它們電子的量子自旋變得相互關聯。這很吸引人。當一個電子的自旋向上，另一個電子向下，反之亦然。這是這項技術的一個重要里程碑。這類自旋相關是量子計算機所需要的，它們是糾纏態的前兆，而量子計算機則需要進行複雜的計算。

該研究的主要合作者，新南威爾士大學的山姆·戈爾曼說：理論預測，這兩個量子位需要放置20納米，才能看到這種關聯效應，但是我們發現它只發生在16納米的地方。在我們的量子世界裡，這是一個很大的不同，作為一名實驗主義者，對這個理論提出質疑也是很聰明的。引領著在硅領域建立量子計算機的競賽。UNSW的科學家和CQC2T的工程師們正在世界上領先，在硅上建造量子計算機。他們正在開發利用單個原子和量子點量子位的並行專利方法。UNSW團隊選擇了在硅領域工作，因為它是最穩定、最容易被製造的環境之一，在這個環境中，可以容納qubits，而且它在傳統計算機行業的長期使用歷史意味著有大量關於這種材料的知識。2012年Simmons的團隊使用掃描隧道顯微鏡將單個磷原子置於硅中，然後用分子束外外化來封裝它們，創造了世界上最窄的導線，只有4個磷原子和一個原子高。

在最近發表在《納米快報》(Nano Letters)雜誌上的一篇論文中，他們使用了類似的原子尺度控制技術，製造出了大約2-10納米寬的電路，並顯示出了所有半導體電路中記錄最低的電子雜訊。這項工作是與印度科學研究所的Saquib Shamim和Arindam Ghosh共同進行的。人們普遍認為，控制量子位電路的電路雜訊將是限制其性能的關鍵因素。研究結果證實硅是一種最佳選擇，因為硅的使用避免了其他大多數設備面對混合不同材料的問題，包括介質和表面金屬，這可能是電子雜訊的來源和放大。用我們的精確方法，已經達到了所認為的最低的電子噪音水平，這是一種硅的電子納米器件的最低級，比使用碳納米管還要低三個數量級。

兩個量子位的概念圖，一個由兩個磷原子組成，一個由一個磷原子組成，在一個矽片上放置了16納米。UNSW的科學家們能夠控制兩個量子位之間的相互作用，從而使電子的量子自旋變得相關。當一個電子的自旋向上的時候，另一個點向下。圖片版權：UNSW

在最近的另一篇科學研究論文中，西蒙斯的研究小組展示了他們在硅中的精確量子位，這樣電子自旋的壽命將達到30秒，比之前報道的要長16倍。第一作者托馬斯·沃森博士在新南威爾士大學攻讀博士學位，現在在代爾夫特理工大學。西蒙斯說：這是一個熱門的研究課題。電子自旋的生命周期——例如從自旋向上到向下旋轉——是至關重要的。生命周期越長，我們在量子態中存儲信息的時間就越長。在同一篇論文中指出這些長壽命使他們能夠讀出兩個量子位的電子自旋，其準確度為99.8%，這是量子處理器實際誤差校正所需要的水平。與傳統的計算機一樣，量子計算機不是一個接一個地進行計算，而是並行地工作，並且能夠同時觀察所有可能的結果。它將能夠在幾分鐘內解決問題，否則將花費數千年。

去年澳大利亞第一家量子計算機公司——由一個由政府、工業和大學組成的獨特財團支持——成立，旨在將CQC2T的全球領先研究商業化。在UNSW的新實驗室中，硅量子計算有限公司(Silicon Quantum Computing Pty Ltd)的目標是在2022年之前在硅中生產一個10-qubit的演示設備，作為硅基量子計算機的先驅。澳大利亞政府通過其國家創新和科學議程投資了2,600萬美元，另外還有2500萬美元來自新南威爾士大學，1400萬美元來自澳大利亞聯邦銀行，1000萬美元來自澳洲電信，870萬美元來自新南威爾士州政府。據估計約佔澳大利亞當前經濟40%的行業可能會受到量子計算的嚴重影響。可能的應用包括軟體設計，機器學習，計劃和後勤計劃，財務分析，股票市場建模，軟體和硬體驗證，氣候模型，快速藥物設計和測試，以及早期疾病的檢測和預防。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Communications

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：新南威爾士大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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