澳大利亚团队首次在集成硅平台上结合了2种基本量子技术,证实了量子计算的预设。

若要量子计算机能够解决复杂问题,如药物设计或机器学习等,那将需要数百万个量子位(或量子比特)以集成的方式连接,并设计相应协议用于纠正脆弱量子系统中不可避免的错误。

现在,一个澳大利亚研究团队已经在硅芯片上实验性地实现了这些功能的关键组合,使通用量子计算机的梦想更接近现实。他们展示了一个集成的硅量子比特平台,结合了单自旋可寻址能力 - 在单个自旋量子位上“写入”信息而不会干扰其邻居的能力,以及对于量子纠错至关重要的量子比特“读出”过程。此外,他们的新集成设计可以使用现有计算机行业中使用的成熟技术来制造。

该团队由悉尼新南威尔士大学的Scientia教授Andrew Dzurak领导,他是量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)的项目负责人,也是澳大利亚国家制造设施新南威尔士州节点的主任。

去年,Dzurak及其同事发布了一种新型芯片架构的设计,该架构可以使用硅CMOS(互补金属氧化物半导体)元件进行量子计算 - 这是所有现代计算机芯片的基础。在今天发表在Nature Communications期刊上的新研究中,该团队首次结合了两种基本量子技术,证实了他们的方法的前景。

Dzurak的团队此前也表明,集成的硅量子比特平台可以在单自旋可寻址性下运行 - 能够旋转单个旋转而不会干扰相邻的量子比特。他们现在已经证明,他们可以将这与称为Pauli自旋封锁的特殊类型的量子读出过程相结合,这是量子纠错码的关键要求,这对于确保大型自旋量子计算机的准确性是必要的。这种量子比特读出和控制技术的新组合是其量子芯片设计的核心特征。

“我们已经展示了在我们的硅量子比特器件中进行Pauli自旋读数的能力,但是,我们还首次将其与自旋共振相结合来控制旋转,”Dzurak说。“对于我们在使用自旋量子位执行量子纠错的道路上,这是一个重要的里程碑,这对于任何通用量子计算机都是必不可少的。”

“量子纠错是创建大规模有用量子计算的关键要求,因为所有量子位都很脆弱,你需要在出现错误时纠正错误,”主要作者Michael Fogarty表示,他将这些实验作为他的一部分进行了实验,他现在新南威尔士大学与Dzurak教授一起进行博士研究。

“但这会使你需要的物理量子位数在系统工作中产生巨大的开销,”Fogarty指出。

Dzurak说:“通过使用硅CMOS技术,我们拥有理想的平台,可以扩展到我们需要的数百万量子比特,最近的结果为我们提供了在不久的将来实现自旋量子位误差校正的工具。”

“这是另一个确认我们走在正确轨道上的证据。它还表明,我们在新南威尔士大学开发的架构到目前为止还没有表明工作量子计算机芯片开发具有障碍。”“而且,更重要的是,可以使用现有完善的行业流程和组件制造。”

CQC2T使用硅的独特方法

在硅片中工作很重要,不仅因为元素价格低廉而且丰富,而且因为它已经成为全球计算机行业的核心,已有近60年的历史。硅的特性是很好理解的,包含数十亿个传统晶体管的芯片通常在大型生产设施中制造。

三年前,Dzurak的团队在Nature杂志上发表了在真实硅器件中量子逻辑计算的第一次演示,量子计算机的中心构建块:创建了一个双量子位逻辑门。

新南威尔士大学工程学院院长MarkHoffman教授说:“这是新生婴儿的第一个步骤,其第一次展示了如何将这种超前的量子计算概念转变为可以用支撑所有现代计算的组件的实用设备来构建。”

“我们的团队现在有一个巨大的蓝图,有很大的想象空间。

Q快讯|测试显示集成量子芯片操作成为可能-量子客

“我们一直在实验室测试这个设计的元素,取得了非常积极的成果。我们只需要继续坚持下去,但这仍然是一个挑战,基础工作仍然存在,而且令人备受鼓舞。

“将量子计算带入商业现实仍然需要很好的工程合作,但很明显,我们从CQC2T这个非凡团队看到的工作使澳大利亚成为了引领者的地位,”他补充道。

新NatureCommunications 的其他作者是新南威尔士大学的研究人员Kok Wai Chan,Bas Hensen,Wister Huang,Tuomo Tanttu,Henry Yang,Arne Laucht,Fay Hudson和Andrea Morello,以及QuTech和TU Delft的Menno Veldhorst,Thaddeus Laddof HRL实验室和日本庆应义塾大学的Kohei Itoh。

商业化CQC2T的知识产权

2017年,澳大利亚政府,工业和大学联盟成立了澳大利亚第一家量子计算公司,将CQC2T的世界领先知识产权商业化。

硅谷量子计算有限公司(SQC)在新南威尔士大学的新实验室运营,其目标是到2022年在硅片上生产10比特的示范器件,作为创建硅基量子计算机的先驱。

Dzurak及其团队的工作将成为SQC实现这一目标的一个组成部分。CQC2T的新南威尔士大学科学家和工程师正在开发使用单原子和量子点量子比特的平行专利方法。

2018年5月,时任澳大利亚总理马尔科姆·特恩布尔和法国总统埃马纽埃尔·马克龙宣布签署了协议备忘录(MoU),解决SQC与世界领先的法国研发组织之间的新合作,与原子能和替代能源委员会(Commissariatà l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA))。

协议备忘录概述了计划在硅CMOS数量计算技术方面建立合资企业,以加速和集中技术开发,以及捕捉商业化机会,并将法国和澳大利亚的合作成果结合起来,开发量子计算机。

澳大利亚的拟议中 - 法国合资企业将把位于新南威尔士大学的Dzurak团队与由CEA的Maud Vinet博士领导的团队聚集在一起,他们是先进CMOS制造技术的专家,并且最近还展示了使用其工业制造的硅量子比特Grenoble的大规模原型设施。

据估计,包含约40%澳大利亚当前经济的行业可能会受到量子计算的显着影响。可能的应用包括软件设计,机器学习,调度和后勤规划,财务分析,股票市场建模,软件和硬件验证,气候建模,快速药物设计和测试,以及早期疾病检测和预防。