低温技术改善量子芯片性能

 参考消息网6月29日报道 美国趣味科学网站6月25日刊登题为《低温技术取得突破后，单个量子处理器容纳数百万个量子比特现已成为可能》的文章，作者是欧文·休斯，内容编译如下：

科学家开发出一种新型计算机芯片，移除了实用量子计算机发展道路上的一个主要障碍，从而首次使数百万量子比特及其控制系统处于同一设备上成为可能。

新的控制芯片在接近绝对零度(即零下273.15摄氏度)的低温下工作，关键是，它可以被设置在接近量子比特的地方，而不会破坏它们的量子态。

这项研究的首席研究者、悉尼大学纳米研究所和物理学院教授戴维·莱利在声明中说：“这一成果经过十多年的努力，积累起了设计这种电子系统的技术，这些系统耗电量极小，在接近绝对零度的温度下工作。”

科学家们将这一成果描述为将量子和经典元件集成在同一芯片上的“重要原理验证”——这是向使量子计算成为现实所需的实用和可规模化运行的处理器迈出的重要一步。研究人员6月25日在英国《自然》周刊上发表了他们的研究成果。

量子比特相当于在当今的经典计算机中发现的二进制比特的量子版本。经典比特可以代表0或1，量子比特却能够以0和1两种状态“叠加”的形式存在。这使得量子计算机能够并列执行多个运算，使它们能够解决远超当今计算机能力的问题。

自旋量子比特是一种利用电子的自旋状态进行信息编码的量子比特，它之所以能引起科学家的兴趣，是因为它可以使用CMOS(互补金属氧化物半导体)技术来构建。

这与制造现代智能手机和个人电脑内置芯片的过程相同。从理论上讲，这使得自旋量子比特更容易规模化运行，因为可以使用常规的制造方法。

其他量子计算机则使用不同类型的量子比特，包括超导、光子或离子阱量子比特。但与这些类型的量子比特不同，自旋量子比特可以使用现有设备大规模制造。

然而，自旋量子比特需要保存在低于1开尔文(略高于绝对零度)的温度下才能保持“相干”。这是量子比特随着时间的推移保持叠加和纠缠的能力，也是释放使量子计算前景如此光明的并行处理能力所需要的。自旋量子比特还需要电子设备测量和控制它们的活动。

长期以来，对控制和测量自旋量子比特所需的电子设备进行集成一直是个挑战，因为即使是很少的热量或电子干扰也会破坏量子比特脆弱的量子态。

但是，这种新的定制CMOS芯片被设计为在低温环境和超低功耗水平下工作。这意味着，它可以与量子比特一起集成到芯片上，而不会引入热噪声或电噪声，否则那些噪声会干扰相干性。

在测试中，研究人员将控制芯片置于距离量子比特不到1毫米的地方，然后进行单量子位门和双量子位门操作。研究人员称，控制芯片没有产生可测量的电噪声，也没有导致精度、稳定性或相干性下降。此外，这款控制芯片能耗很低。

莱利说：“这证实了以下预期，即量子比特确实可以在低温下被规模化控制。”

他补充说：“这将把我们从量子计算机是迷人的实验室机器的认知阶段带到我们可以开始发现这些设备能够为人类解决现实世界问题的阶段。”

“从近期的传感系统到未来的数据中心，我们认为这项技术将有更多不同的用途。”

这些发现可能会促使更多研究人员探索自旋量子比特的能力。

芯片设计者、新兴量子公司高级硬件工程师兼悉尼大学研究人员库沙尔·达斯在声明中说：“现在我们已经证明，毫开尔文控制不会降低单量子位门和双量子位门的性能。我们预计后续会有很多人跟进。”

达斯说：“对我们而言，这很幸运，因为这并不是十分容易的事情，而是需要多年时间才能积累起专业知识和技能，以设计出只需要少量电力的低噪声低温电子设备。”（编译/冯雪）