澳大利亚新南威尔士大学悉尼分校的量子工程师在量子计算技术的发展方面取得了重大突破，解决了一个长期困扰科学家、迄今为止一直是下一代计算机发展的主要障碍的问题。这个问题涉及自旋量子位，这是硅量子处理器中的基本信息单位。但首先，什么是硅量子处理器?
在经典计算中，信息是用硅中的电荷来表示的:在量子计算中，信息将通过“自旋”来传递，自旋是电子或原子赋予它磁性的特性。
因此，硅量子处理器是量子计算机的核心，而“自旋量子比特”是通过其中电子的自旋传递的信息单位。困惑了吗?
该团队取得的突破关注的是这些自旋量子位元，传统上控制这些量子位元需要大量劳动。
“到目前为止，控制电子自旋量子位还依赖于我们通过量子位旁边的电线传输微波磁场，”首席研究员杰瑞德•普拉(Jarryd Pla)说。
“如果我们想要将量子计算机所需的数百万个量子比特扩大到解决全球重大问题(如新疫苗的设计)，这就带来了一些真正的挑战。”
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“首先，磁场随着距离的增加衰减得非常快，所以我们只能控制那些离电线最近的量子位。这意味着当我们引入越来越多的量子比特时，我们需要添加越来越多的线，这将占用芯片上的大量空间。”
Pla说，由于芯片必须在零下273°C以下的极冷温度下工作，引入更多的电线会在芯片中产生过多的热量，干扰量子比特的可靠性。
“所以，我们回到了用这种电线技术只能控制几个量子位的问题上。”
为了解决这个问题，研究小组意识到他们需要重新想象硅芯片的结构。他们建议从芯片上方产生一个磁场，从而可以同时操作所有的量子位，而不是使用电线。
利用磁场一次控制所有量子位元的前景在20世纪90年代首次被提出，但直到现在还没有人开发出一种实用的方法来实现它。
“首先，我们去掉了量子比特旁边的电线，然后想出了一种新颖的方法，在整个系统中传输微波频率的磁场。因此，原则上，我们可以向多达400万个量子位传送控制字段。”Pla说。
Pla和他的团队随后在硅芯片的正上方引入了一种新的元件——一种叫做介电谐振器的晶体棱镜。当微波直接进入谐振器时，它将微波的波长聚焦到一个小得多的尺寸。
“介电谐振器将波长缩小到1毫米以下，所以我们现在可以非常有效地将微波功率转换为控制所有量子位元自旋的磁场。
“这里有两个关键的创新。首先，我们不需要投入大量的能量来为量子比特提供强大的驱动场，这就意味着我们不会产生太多的热量。第二，整个芯片的场是非常统一的，因此数百万个量子比特都经历相同水平的控制。”
该团队与新南威尔士大学的Andrew Dzurak教授合作，他的团队在过去十年中使用传统计算机芯片的硅制造技术演示了第一个也是最精确的量子逻辑。
“当Jarryd带着他的新想法来找我时，我完全惊呆了，”Dzurak说，“我们立即着手研究如何将它与我的团队开发的量子比特芯片集成起来。
“当实验证明成功时，我们欣喜若狂。如何控制数百万个量子比特的问题一直困扰着我很长一段时间，因为这是构建全面量子计算机的主要障碍。”
该团队希望利用这项新创新来简化量子计算机的设计。
“移除片上控制线可以为额外的量子比特和构建量子处理器所需的所有其他电子设备腾出空间。它使下一步生产数十个量子比特的设备的任务变得简单得多。”Dzurak说。
Pla说:“虽然在制造出拥有100万量子位的处理器之前，还需要解决工程上的挑战，但我们现在有了控制它们的方法，这让我们很兴奋。”
这不是新南威尔士大学悉尼分校的量子工程师第一次在通往量子未来的旅程中破土动工:2020年4月，Dzurak领导的一个团队发表一个概念验证量子处理器单元可以让量子计算机在1.5开尔文的温度下工作，这是以前量子处理器工作温度的15倍(通常，量子计算机只需要在绝对零度以上几度的温度就可以工作)，减少了对价值数百万美元的制冷设备的需求。
当量子计算机成为实际的、可扩展的现实时，它将能够以非常快的速度解决问题，处理大量的数据，而普通计算机需要的时间要长得多。潜在的应用范围从创造创新的医学治疗来定价的金融工具。
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Amalyah哈特
阿玛莉亚·哈特是一名常驻墨尔本的科学记者。
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