工程师在量子计算机设计方面取得重大进展

　　自旋量子位设备连接到电路板以准备测量。图片来源：SerwanAsaad
　　悉尼新南威尔士大学的量子工程师消除了阻碍量子计算机成为现实的主要障碍。他们发现了一种新技术，他们说能够控制数百万个自旋量子位硅量子处理器中的基本信息单元。
　　到目前为止，量子计算机工程师和科学家们通过展示仅对少数量子位的控制来研究量子处理器的概念验证模型。
　　但是，通过今天发表在《科学进展》上的最新研究，该团队发现了他们认为量子计算机架构中缺失的拼图的东西，它应该能够控制极其复杂的计算所需的数百万个量子位。
　　新南威尔士大学电气工程与电信学院的教员JarrydPla博士说，他的研究团队想破解困扰量子计算机科学家数十年的问题如何在不占用宝贵空间的情况下控制几个而是数百万个量子位使用更多的电线，使用更多的电力并产生更多的热量。
　　到目前为止，控制电子自旋量子位依赖于我们通过将电流通过量子位旁边的电线来传递微波磁场，普拉博士说。
　　如果我们想要扩展到量子计算机解决全球重大问题（例如新疫苗的设计）所需的数百万个量子位，这将带来一些真正的挑战。
　　首先，磁场随着距离的下降非常快，所以我们只能控制那些最靠近导线的量子位。这意味着我们需要添加越来越多的导线，因为我们引入了越来越多的量子位，这将占用芯片上有很多房地产。
　　而且由于芯片必须在低于270C的冰冷温度下运行，Pla博士说，引入更多的导线会在芯片中产生过多的热量，从而干扰量子位的可靠性。
　　所以我们回到只能用这种线技术控制几个量子位，普拉博士说。
　　灯泡时刻
　　这个问题的解决方案涉及对硅芯片结构的完全重新构想。
　　该团队并没有在同样需要包含数百万量子位的缩略图大小的硅芯片上设置数千条控制线，而是研究了从芯片上方产生磁场的可行性，该磁场可以同时操纵所有量子位。
　　这种同时控制所有量子位的想法最早是由量子计算科学家在1990年代提出的，但到目前为止，直到现在，还没有人找到可行的方法来做到这一点。
　　首先，我们移除了量子位旁边的电线，然后想出了一种在整个系统中提供微波频率磁控制场的新方法。因此，原则上，我们可以提供多达400万个量子位的控制场，博士说。。解放军
　　Pla博士和团队直接在硅芯片上方引入了一个新组件称为介电谐振器的晶体棱镜。当微波进入谐振器时，它会将微波的波长聚焦到更小的尺寸。
　　介电谐振器将波长缩小到一毫米以下，因此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自旋的磁场。
　　这里有两个关键的创新。第一个是我们不需要投入很多能量来为量子位提供强大的驱动场，这至关重要地意味着我们不会产生太多热量。第二个是整个芯片上的磁场非常均匀，因此数百万个量子位都经历了相同级别的控制。
　　量子组队
　　尽管Pla博士和他的团队开发了原型谐振器技术，但他们没有硅量子位来测试它。因此，他与他在新南威尔士大学的工程同事、Scientia教授AndrewDzurak进行了交谈，他的团队在过去十年中展示了第一个也是最准确的量子逻辑，使用与制造传统计算机芯片相同的硅制造技术。
　　当Jarryd向我提出他的新想法时，我完全被震惊了，Dzurak教授说，我们立即着手研究如何将它与我的团队开发的量子位芯片集成。
　　我们让我们最好的两名博士生参与这个项目，我团队的EnsarVahapoglu和Jarryds的JamesSlackSmith。
　　当实验证明成功时，我们欣喜若狂。如何控制数百万个量子位的问题一直困扰着我很长时间，因为它是构建全尺寸量子计算机的主要障碍。
　　曾经只在80年代梦想过，使用数千个量子位来解决具有商业意义的问题的量子计算机现在可能不到十年了。除此之外，由于它们能够对极其复杂的系统进行建模，因此有望为解决全球挑战和开发新技术带来新的火力。
　　气候变化、药物和疫苗设计、代码解密和人工智能都将从量子计算技术中受益。
　　展望未来
　　接下来，该团队计划使用这项新技术来简化近期硅量子处理器的设计。
　　移除片上控制线可以为额外的量子位和构建量子处理器所需的所有其他电子设备腾出空间。这使得下一步生产具有数十个量子位的设备的任务变得更加简单，说祖拉克教授。
　　虽然在制造具有100万个量子比特的处理器之前还有一些工程挑战需要解决，但我们对现在有办法控制它们感到兴奋，普拉博士说。
　　更多信息：Singleelectronspinresonanceinananoelectronicdeviceusingaglobalfield，ScienceAdvances（2021）。DOI：10。1126sciadv。abg9158