將量子計算的速度提升200倍！硅基原子級兩比特量子門問世

兩比特量子門（圖片來源：新南威爾士大學）

近日，澳大利亞物理學家宣布了在量子計算領域的新進展，使基於硅的磷原子可擴展量子計算從原理上得到實現，是構建原子級量子計算機的重要里程碑。

撰文 | 魯婧涵

日前，澳大利亞新南威爾士大學量子物理學教授米歇爾·西蒙斯領導的團隊取得了量子計算領域的新突破。

量子計算機是利用量子相干疊加原理進行高速運算、存儲和處理信息，具有超快的並行計算和模擬能力的計算機。它將信息存儲在量子比特中。量子比特門是量子計算機的邏輯門。

西蒙斯團隊使用掃描隧道顯微鏡，在天然硅材料里放置兩個磷原子。這一納米級別精度的操作，讓磷原子形成勢阱囚禁電子，通過控制電子的相互作用創建了首個硅基磷原子的兩比特量子門。這個兩比特量子門能在0.8納秒內完成運算操作，比目前其他基於硅的兩比特量子門操作快200倍。

這項研究的論文於近期發表在《自然》雜誌上。這項里程碑式的成果滿足了該體系量子計算的五大判決要求（Di Vincenzo"s criteria）的最後一條，結合之前的成果，基於硅的磷原子量子計算體系達成可擴展的量子計算從原理上成為現實。

研究團隊。左起：米歇爾·西蒙斯（團隊領導和中心主任）、山姆·戈爾曼博士（聯合第一作者）、賀煜博士（聯合第一作者）、盧德維克·克蘭克、喬里斯·凱澤博士和丹尼爾·基思。（來源：afr.com）

硅基磷原子量子兩比特門

判斷一個系統能否實現量子計算包含的五大判決要求包括：

1.物理系統可擴展且系統中的量子比特具有良好性能；

2.將量子比特的狀態初始化為簡單基態的能力；

3.去相干時間長；

4.一組「通用」量子比特門（包含單比特量子門和兩比特量子門）；

5.一種基於量子比特的測量能力。

「我們以硅為載體的磷原子體系此前已經證明了1、2、3、5，此次研究實際上是把4的兩比特量子門證明了，」論文聯合第一作者賀煜告訴《環球科學》，「該結果說明，從理論上說，這個體系想要做可拓展量子計算是沒有問題的。」（「可擴展的量子計算」指能夠實現的量子比特數量要具有一定的規模——擁有幾百到上千個量子比特的量子計算機才真正具有比經典計算機優越的性能，其中所有的量子比特之間應當能夠互相分辨,單獨操作,以及從整體上完全掌控它們的行為。）

他們的晶元利用掃描隧道顯微鏡進行加工。操作過程是：通過單個原子或一個原子團簇的擺放形成一個量子點，一個量子點自帶勢阱，勢阱可以囚禁住電子，然後在電子上進行量子操作，電子的自旋則攜帶有量子比特信息。

實驗裝置圖（來源：研究論文）

此前，理論研究已經證明，以硅為載體的磷電子自旋之間的交換作用，有望使雙量子比特門實現快速(千兆赫茲)門運算。

然而，實現磷原子兩個電子之間的量子比特門所需的交換關係（打開或關閉），直到現在才成為可能。這是因為此前在調整原子電路以獲得高保真度、獨立的自旋讀數時，很難確定交換作用打開或關閉所需的原子距離。

西蒙斯團隊解決了這一問題。他們通過實驗發現當原子距離縮短至13納米時，量子門交換作用的打開或關閉能順利進行。（原子距離遠，交換門不易打開；原子距離近，交換門不易關閉）。

「我們直接通過實驗（而非理論建模）來確認電路中量子比特的位置，」西蒙斯說，「讓量子晶元自己來幫助構建它自己。」

目前，新南威爾士大學的雙原子量子比特門可在0.8納秒內完成一次操作，比其他基於硅的量子門（在硅上加電極形成的量子門）快200倍。但西蒙斯教授表示，她不會急於將其構建成集成電路。

2018年3月，新南威爾士州大學實驗室證明，量子比特可以通過電子自旋的經典關聯實現很簡單的「交談」，即電子之間可以存在關聯。而目前報道的成果則這是科學家們第一次將兩個原子量子比特糾纏在一起，並設法在它們之間交換信息。

新南威爾士大學研究小組說，三個或四個糾纏的量子比特可以執行一個簡單的演算法。西蒙斯團隊的下一個目標是在5年內構建10比特的量子集成電路，並希望在10年內實現商業化。

為什麼選擇硅材料？

量子計算門派眾多，包括超導體量子計算，半導體量子計算，光量子計算等。

2018年1月，英特爾推出了名為Tangle Lake的49量子比特測試晶元；兩個月後，谷歌推出了名為Bristlestone的72量子比特處理器。

它們使用的是以超導電路作為量子計算處理器的基礎。超導材料中也能發生量子現象。例如，當超導材料中的電子同時進行順時針和逆時針的移動，這就是量子現象。超導量子晶元前景很大，但是電路設計難度隨著比特數增多而增大。

以半導體硅為載體的量子計算在國際上也有幾條不同的路線。西蒙斯利用硅中雜質磷原子做量子計算。另一種是在硅樣品上加各種電極，然後通過電極形成勢阱，利用勢阱囚禁電子作為量子計算的比特。這個方向上的兩比特門和單比特門已得到證明，但它對電極的密度要求非常高，因為一個比特需要2－3個電極，所以電極會排的非常密。

但西蒙斯表示，她的實驗室在硅基使用基於原子的量子比特的方法，最終將超越競爭對手。

西蒙斯說，基於硅的量子比特更受歡迎，因為它們具有最長的相干時間和最高的保真度（分別衡量量子比特保持量子態的時間和交換信息的準確性）。

西蒙斯團隊最新方案的量子比特保真度達94%。未來，他們將通過降低電荷雜訊，降低電子溫度，用純凈同位素28硅代替自然硅等方式繼續提升保真度。

西蒙斯說，這項成就是科學家們20年努力的結晶，這些努力將推動科學家們朝著「可擴展性的硅量子計算機」的目標邁進。

量子計算產業

評估量子計算成功有兩種常見的度量標準。第一種是製造一台性能超過傳統計算機的機器，從而實現「量子霸權」。另一種是開發具有可行商業應用程序的處理器。前者需要大約50個量子比特，後者需要的量子比特更少。

傳統計算機包含數百萬個晶體管，其值為0或1。但量子計算機可以製備兩個邏輯態0和1的相干疊加態，換句話講，它可以同時存儲0和1。

由於能同時存在兩種狀態，量子比特能比比特更快地解決問題。量子計算機理論上可以徹底改變任何依賴於繁重計算和數據處理的行業。

這可能意味著更準確的天氣預報、更有效的通勤時間、更安全的航空系統、更好地識別行星和生命、更智能的自動駕駛汽車、更好的藥物治療和超個性化的營銷。

昆士蘭大學數學與物理學院教授湯姆·斯塔斯說，量子物理學已經從一個幾乎完全以大學為中心、只做研究的領域成長為一個蓬勃發展的商業產業。

他表示:「這個產業正在爆炸式增長，全球還缺少大約2萬名量子專家。量子技術正在密碼學、醫學、工業化學模擬以及提升感測器測量精確等方向尋找應用。」

參考資料：

https://www.theguardian.com/technology/2019/jul/19/quantum-leap-australian-researchers-could-lead-to-much-greater-computing-power

https://www.afr.com/technology/technology-companies/unsw-lab-in-quantum-leap-breakthrough-20190717-p527xg

https://www.studyinternational.com/news/quantum-leap-ahead-for-tech/

https://techchums.com/2019/07/19/a-leap-in-the-field-of-quantum-computing-by-australian-research-team-promises-super-fast-computers/

https://www.quantamagazine.org/quantum-supremacy-is-coming-heres-what-you-should-know-20190718/

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