今天发表在《自然》杂志上的一篇概念验证文章有望实现更便宜、更强大的量子计算机,可将量子计算机运行的最低温度提升15倍运行,而且量子芯片。可用传统的硅芯片生产线生产。

告别极寒,科学家突破将量子计算机运行最低温提了15倍-量子客
(来源:悉尼新南威尔士大学)

Henry Yang 博士和 Andrew Dzurak教授设计的稀释冰箱可让量子比特在极低的温度下运行。

世界各地正在开发的大多数量子计算机都只能在比绝对零度高几分之一度的环境下工作,这一温度已经靠近宇宙最低温。而达到这一环境要求严苛,动辄数百万美元的制冷设备。否则,如果没有高质的制冷环境,一旦让量子芯片接入传统的电子线路,它们就会立即过热而失去低温环境。

如今,由悉尼新南威尔士大学的Andrew Dzurak 教授领导的研究人员已经解决了这个过去难解的问题。

Dzurak 教授说: “我们的新研究成果开辟了一条通往更便宜量子计算机的道路,使得量子计算机可走出实验室。面向商业和政府开发应用。”

 

变暖的运行环境

研究人员在硅芯片上进行概念验证的量子处理器单元,其工作温度为1.5开尔文,比Google、IBM等使用超导量子位的主要竞争芯片技术高15倍。

Dzurak 解释说: “虽然所需的温度仍然很低,但是只需要几千美元的制冷就可以达到这个温度,而不需要花费数百万美元将芯片冷却到0.1开尔文。”

从精密的药物制造到搜索算法,量子计算机都有望在一系列重要问题上超越传统计算机。 然而,设计一个可以在现实世界环境中制造和操作的设备,是一个重大的技术挑战。

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艰巨的障碍之一。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文[1]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的量子处理器单元,与世界各地正在探索的大多数设计不同,它不需要在低于十分之一开尔文的温度下工作。

去年二月,Dzurak 的团队通过学术预印本档案[2]首次公布了他们的实验结果。 然后,在2019年10月,由 Dzurak 团队的前博士后研究员Menno Veldhorst领导的荷兰小组宣布了一个类似的结果[3],通过使用新南威尔士大学2014年开发的相同的硅技术。 世界上相对的两个团体对这种“热量子位”行为的证实,导致这两篇论文在今天同一期《自然》杂志上发表。

 

便宜且易于集成

Dzurak团队开发的单元由两个量子位组成,它们被限制在一对嵌入硅的量子点( Quantum Dots)中。 扩展后的结果是,可以使用现有的硅芯片工厂进行生产,而且不需要花费数百万美元制冷即可运行。 与控制量子处理器所需的传统硅芯片集成也会更加容易。

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,而且通常认为至少需要十年才能实现。 这种数百万量子位的需求对设计师来说是一个巨大的挑战。

Dzurak 解释说,添加到系统中的每一对量子比特都会增加产生的总热量,而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在接近绝对零度的环境。

维护具有足够量子比特的量子计算机,使其能够在比外太空低得多的温度下使用,这一前景令人生畏,其成本高昂,而且将制冷技术推向了极限。

新南威尔士大学的研究小组为这个问题找到了一个绝妙的解决方案,他们利用两个量子点之间的电子隧道效应来初始化和“读取”量子比特对。

这些原理验证实验是由新南威尔士大学的 Henry Yang 博士完成的,Dzurak将其描述为“出色的实验主义者”。

 

团队合作

这篇论文的其他作者包括 Dzurak 教授小组的 Ross Leon、 Jason Hwang (现在在悉尼大学)、 Andre Saraiva、 Tuomo tantu、 Wister Huang、 Kok-Wai Chan 和 Fay Hudson,以及长期的合作者新南威尔士大学的 Arne Laucht 博士和 Andrea Morello 教授。

芬兰阿尔托大学的 Kuan-Yen 博士协助设备制造团队,而日本庆应大学的 Kohei Itoh 教授提供了用于制造设备的28硅晶片。 这些量子位设备集成了纳米级磁体,以帮助实现量子位操作,这些设计得到了加拿大舍布鲁克大学的 Michel pioro-ladri 教授领导的团队的支持,其中包括他的博士生 Julien Camirand Lemyre。

 

参考文献

[1]https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6
[2]https://arxiv.org/abs/1902.09126
[3]https://arxiv.org/abs/1910.05289

 

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作者 Lucy Li            编辑 Sakura