开尔文以上硅量子处理器单元电池的工作

今天发表在“自然”杂志上的一项概念验证承诺，量子计算将变得更温暖、更便宜、更强大。它可以用传统的硅片铸造厂来制造。

世界各地正在开发的大多数量子计算机只能在绝对零度以上几分之一度的情况下工作。这需要数百万美元的制冷费用，一旦你将它们插入传统的电子电路，它们就会立即过热。

但现在悉尼新南威尔士大学安德鲁·祖拉克教授领导的研究人员已经解决了这个问题。

“我们的新成果为现实世界的商业和政府应用开辟了一条从实验设备到负担得起的量子计算机的道路，”祖拉克教授说。

研究人员的概念验证量子处理器单元位于硅芯片上，工作温度为1.5开尔文-比谷歌、IBM和其他公司正在开发的基于芯片的主要竞争技术(使用超导量子比特)高15倍。

“这仍然很冷，但是这个温度只需要几千美元的制冷就可以达到，而不是将芯片冷却到0.1开尔文所需的数百万美元，”祖拉克解释说。

“虽然使用我们日常的温度概念很难理解，但在量子世界里，这种增加是极端的。”

预计量子计算机在一系列重要问题上的表现将超过传统计算机，从精确的药物制造到搜索算法。然而，设计一种可以在现实世界中制造和操作的设备是一项重大的技术挑战。

新南威尔士大学的研究人员相信，他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最困难的障碍之一。

在今天发表在“自然”杂志上的一篇论文中，Dzurak的团队与加拿大、芬兰和日本的合作者一起，报告了一种概念验证量子处理器单元，与世界各地正在探索的大多数设计不同，它不需要在低于1开尔文的温度下工作。

去年2月，祖拉克的团队首次通过学术预印本档案馆公布了他们的实验结果。然后，在2019年10月，由Dzurak小组的前博士后研究员Menno Veldhorst领导的荷兰小组宣布了类似的结果，使用了与2014年在新南威尔士大学开发的相同的硅技术。由于世界两端的两个小组证实了这一“热量子位”行为，导致这两篇论文“背靠背”发表在今天的同一期“自然”杂志上。

量子比特对是量子计算的基本单位。就像它的经典计算模拟-比特-每个量子比特表征两种状态，0或1，以创建二进制码。然而，与比特不同的是，它可以同时表现两种状态，即所谓的“叠加”。

由Dzurak的团队开发的单位电池由两个量子比特组成，这些量子比特被限制在硅中嵌入的一对量子点中。放大后的结果可以利用现有的硅芯片工厂来制造，并且不需要数百万美元的冷却就可以运行。它也更容易与控制量子处理器所需的传统硅芯片集成。

例如，一台能够执行设计新药所需的复杂计算的量子计算机将需要数百万个量子比特对，人们普遍认为至少还需要十年的时间。这种对数百万量子比特的需求给设计师带来了巨大的挑战。

“每个增加到系统中的量子位对都会增加产生的总热量，”Dzurak解释说，“增加的热量会导致错误。”这就是为什么当前的设计需要保持如此接近绝对零度的主要原因。“。

保持量子计算机具有足够的量子比特，以便在比深空低得多的温度下发挥作用的前景令人望而生畏，成本高昂，并将制冷技术推向极限。

然而，新南威尔士大学的研究小组利用两个量子点之间的电子隧穿来初始化和“读取”量子位对，从而创造了一个完美的解决方案。

这些原则性实验是由新南威尔士大学团队的亨利·杨博士进行的，祖拉克形容他是一位“杰出的实验者”。

这篇论文的其他作者包括罗斯·利昂(Ross Leon)、杰森·黄(Jason Hwang)(现就职于悉尼大学)、安德烈·萨拉瓦(Andre Saraiva)、拓莫·坦图(Tuomo Tanttu)、黄维斯特(Wister Huang)、陈国伟(Kok-Wai Chan)和费伊·哈德森(Fay Hudson)，以及来自新南威尔士大学的长期合作者阿恩·劳赫特(Arne Laucht)博士和安德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)教授。

芬兰阿尔托大学的Kuan-yen博士协助器件制造团队，而日本庆应义塾大学的Kohei Itoh教授提供了制造器件的富集硅-28晶片。量子比特设备结合了纳米尺度的磁铁来帮助实现量子比特操作，这些设备的设计得到了加拿大舍布鲁克大学Michel Pioro-Ladrière教授领导的团队的支持，其中包括他的博士生朱利安·卡米兰·莱米尔(Julien Camirand Lemyre)。