追求实用化的量子计算机的过程中,面临的一大障碍是,执行量子算法所需的量子比特数。

迄今为止,除了几个顶级的科技公司有实力重金打造之外,多数都是学术机构研究制造,物理的量子比特数量都很少

CEA-Leti是法国格勒诺布尔的电子和信息技术研究机构,是世界上从事微电子和纳米技术应用研究的最大组织之一。近年来,它与泛欧项目(pan-European collaboration)合作研究日常计算设备中使用的晶体管。

新里程碑,新发现可将传统工业生产设备赋能大规模量子计算机的制造-量子客
图1|CEA-Leti制造量子计算机(来源:Leti)

之所以说是日常使用,是因为每个人的手机中都有数十亿这种晶体管,它们在大家的手机中充当量子比特的作用。

哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的研究人员,对法国Leti公司生产的巨型晶圆进行测量后发现,这些工业生产的设备十分适合移动到二维空间的量子比特上,这对制造出一个大规模集成可用通用量子计算机来说意义非凡。

研究成果以“Single-electron operations in a foundry-fabricated array of quantum dots”为题,发表在《自然通讯》杂志上[2]。

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图2|研究成果论文(来源:Nature Communications)

 

1. 二维阵列中的量子点

此设备的主要特征是量子点的二维阵列,或者更准确地说,是量子点的二乘二晶格。

尼尔斯·玻尔研究所的量子设备中心人员Fabio Ansaloni表示,其团队已经证明,可以在每一个量子点中实现单电子控制。

他声称,此举对于量子比特的发展十分重要,因为制造量子比特的方法之一,就是利用单个电子的自旋。因此,成功在二维量子点阵列中控制单个电子意义重大。

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图3|(a)量子点器件 (b)二维阵列装置示意图(来源:哥本哈根大学)

事实上,利用电子自旋来制造量子比特的方式是有利的。因为其较为“安静”,所以使得自旋与噪音的环境的交互十分微妙,而这往往为获得高性能量子比特制造了条件。

将量子计算机处理器扩展到第二维度,是更有效地实施量子纠错例程的必要条件。量子纠错技术可以使未来的量子计算机在运算的过程中,对发生故障的单个量子比特,具有一定的容错能力。

 

2. 工业规模生产的重要性

尼尔斯·玻尔研究所的量子设备中心,担任助理教授的Anasua Chatterjee补充说,团队最初的想法是制造一组自旋量子比特,然后在单个电子层面对其进行操控和移动。

从此层面来看,尼尔斯·玻尔研究所十分感谢法国Leti公司为其提供的样品,使研究人员们获得了意想不到的结果。

泛欧项目的开展,结合欧盟的慷慨资助,帮助团队从只有一个电子的量子点,到有两个电子的量子点,再到二维阵列,一步步向大目标靠近。

而目前二维阵列的实现,对于构造量子计算机来说是刚需的。

 

3. 可以控制误差的二维阵列

控制设备中发生的误差是一个十分重要的环节,现如今的计算机会产生大量的错误,但会通过所谓的重复代码得到纠正。

在经典计算中,为确保计算结果正确,计算机将重复计算。当一个晶体管出现了错误时,可以通过简单多数来纠正。意思是说,如果在晶体管中执行的大多数计算指向1而不是0,则选择1作为结果。

这在量子计算机中是不可能的,因为无法精确复制一个量子比特,所以量子纠错以另一种方式呈现:利用足够多的物理量子比特,组合至二维阵列中,那么它们可以互相检查。

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4. 里程碑的下一步

尼尔斯·玻尔研究所的研究结果表明,现在可以控制单个电子,并在没有磁场的情况下进行实验。因此,研究人员的下一步是在存在磁场的情况下寻找自旋特征。

这对于在阵列中的单个量子比特之间,实现单个和两个量子比特门来说必不可少。理论表明,少量的单量子门量子门,就足矣实现通用的量子计算。

 

参考链接:

[1]https://www.nbi.ku.dk/english/news/news20/industry-collaboration-leads-to-important-milestone-in-the-creation-of-a-quantum-computer/

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-20280-3

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳