當(dāng)?shù)貢r(shí)間 8 月 13 日，相關(guān)論文以《使用全局場(chǎng)的納米電子器件中的單電子自旋共振》（Single-electronspin resonance in a nanoelectronic device using a global field）為題，發(fā)表在 ScienceAdvances 上。另據(jù)悉，此次研究由該校電氣工程與電信學(xué)院高級(jí)研究員賈里德·普拉（Jarryd Pla）負(fù)責(zé)。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Advances）

上海交大量子信息專業(yè)博士喬璐楓告訴 DeepTech：“大規(guī)模量子比特的控制能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要。量子計(jì)算機(jī)在許多重要問題上，如量子模擬（幫助材料和藥物開發(fā)）和優(yōu)化，都顯著優(yōu)于經(jīng)典的同類計(jì)算機(jī)。然而對(duì)于一個(gè)用于解決實(shí)際問題的大規(guī)模和完全容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，可能需要超過 100 萬量子比特。這項(xiàng)工作將之前的幾個(gè)量子比特設(shè)備發(fā)展到具有超過一百萬個(gè)量子比特的硅量子處理器，可以說是一種飛躍性的進(jìn)展。

（來源：新南威爾士大學(xué)）

尋找量子計(jì)算架構(gòu)中“缺失的拼圖”

如果你看過量子計(jì)算機(jī)的圖片，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們往往是像冰箱一樣大小的迷宮式機(jī)器，里面還帶有大量復(fù)雜的控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)前，大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)都要給處理器上的所有量子比特都設(shè)置一條控制線，以便通過高頻振蕩信號(hào)、來改變量子比特的自旋狀態(tài)或數(shù)據(jù)狀態(tài)。

其中，實(shí)現(xiàn)自旋量子比特全局控制的一種方法是，將芯片放置在傳統(tǒng)的三維微波腔內(nèi)，并且每根控制線都必須伸入到計(jì)算機(jī)的過冷內(nèi)部。而這些控制線會(huì)產(chǎn)生額外熱量，這位導(dǎo)致量子比特的物理尺寸變大，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)的能力受限。

（來源：新南威爾士大學(xué)）

研究人員評(píng)價(jià)稱：“微波腔不太喜歡電路的存在，電路也不喜歡微波腔的存在。”理論上，一個(gè)破壞性較小的微波源，能控制整個(gè)處理器中的所有量子比特，該團(tuán)隊(duì)也在實(shí)踐中證明了這一點(diǎn)，即并非直接向每個(gè)量子比特發(fā)送信號(hào)，而是讓量子比特與單一信號(hào)發(fā)生共振或脫離共振。

值得注意的是，改變共振所需的設(shè)備已存在于量子比特的邏輯組件中，因此該方法會(huì)讓處理器變得更復(fù)雜。該團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)往往是“完全混亂的布線和各種控制系統(tǒng)”，但此次新技術(shù)能大大簡(jiǎn)化它們。

目前，像谷歌“懸鈴木”（Sycamore ）這樣的尖端量子計(jì)算機(jī)只有幾十個(gè)量子位，但真正可投入應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)，可能需要數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)量子比特。

將原型諧振器技術(shù)集成在量子比特芯片上

在此之前，科學(xué)家們僅通過對(duì)少數(shù)量子比特的控制，來研究量子處理器的概念驗(yàn)證模型。而控制電子自旋量子比特，也主要依賴于將電流通過量子比特旁邊的電線來傳遞微波磁場(chǎng)。

（來源：新南威爾士大學(xué)）

如果讓量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大到能解決全球重大問題，比如新疫苗的設(shè)計(jì)，那么就需要數(shù)百萬個(gè)量子比特。

這里面的挑戰(zhàn)非常大：首先，磁場(chǎng)隨著距離的下降非常快，所以只能控制最靠近導(dǎo)線的量子比特。因此，當(dāng)引入越來越多的量子比特，就需要添加越來越多的電線，而這將占用芯片上的大量空間。

此外，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)將信息存儲(chǔ)為 0 或 1。但在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特同時(shí)是兩個(gè)數(shù)字的疊加狀態(tài)，這種疊加能力意味著量子計(jì)算機(jī)具有同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算的能力。為了保持它們的量子能力，量子比特可能需要在極低溫環(huán)境中運(yùn)行。

因此相關(guān)芯片必須在低于 -270°C 的極冷溫度下運(yùn)行，而引入更多導(dǎo)線會(huì)在芯片中產(chǎn)生過多熱量，這會(huì)讓量子比特的可靠性受到損失。那么，這時(shí)就只能回到使用線技術(shù)來控制量子比特的方法。

而該團(tuán)隊(duì)此次提出的解決方案，是對(duì)硅芯片結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)想。他們并沒有在包含數(shù)百萬量子比特的硅芯片上去設(shè)置數(shù)千條控制線，而是研究了從芯片上方產(chǎn)生磁場(chǎng)的可行性，并發(fā)現(xiàn)該磁場(chǎng)可同時(shí)操縱所有量子比特。

（來源：新南威爾士大學(xué)）

這種同時(shí)控制所有量子比特的想法，最早于 20 世紀(jì) 90 年代提出，但直到本次論文發(fā)表，此前也沒有誕生出可行性方法。

而在該研究中，研究人員先是移除了量子比特旁邊的電線，然后設(shè)計(jì)一種在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞微波頻率磁控制場(chǎng)的新方法。他們發(fā)現(xiàn)，諧振器產(chǎn)生的場(chǎng)可控制一個(gè)能容納 400 萬個(gè)量子比特的區(qū)域。此外，產(chǎn)生磁場(chǎng)所需的能量也相對(duì)較少，這基本上意味著產(chǎn)生的熱量很少。

該團(tuán)隊(duì)還在硅芯片上方引入了一個(gè)新組件，組件名字叫介電諧振器的晶體棱鏡。當(dāng)微波進(jìn)入諧振器時(shí)，它會(huì)將微波的波長(zhǎng)聚焦到更小的尺寸。如此，就能在所有量子比特中，把微波功率有效轉(zhuǎn)換為控制自旋的磁場(chǎng)。

圖 | 介質(zhì)諧振器（來源：新南威爾士大學(xué)）

而介電諧振器可將波長(zhǎng)縮小到 1 毫米以下，這時(shí)就能把微波功率轉(zhuǎn)換為控制所有量子比特自旋的磁場(chǎng)。

這里有兩個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新：其一，無需給量子比特提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，因此不會(huì)產(chǎn)生太多熱量；其二，整個(gè)芯片的磁場(chǎng)非常均勻，因此數(shù)百萬個(gè)量子比特都得到了相同級(jí)別的控制。

盡管該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了原型諧振器技術(shù)，但由于沒有硅量子比特來做測(cè)試，為此他們找到該校另一支團(tuán)隊(duì)——由安德魯·祖拉克（AndrewDzurak）教授帶領(lǐng)的量子研究團(tuán)隊(duì)。

隨后，兩支團(tuán)隊(duì)開始合作研究，他們把將本次研發(fā)的原型諧振器技術(shù)集成在量子比特芯片上，并取得了成功。

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圖 | 此次新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員：安德魯·祖拉克（Andrew Dzurak）和賈里德·普拉（Jarryd Pla）

可解決實(shí)際商業(yè)問題的量子計(jì)算機(jī)，有望更早誕生

研究人員告訴媒體：“當(dāng)實(shí)驗(yàn)證明成功時(shí)，我們欣喜若狂。如何控制數(shù)百萬個(gè)量子比特的問題困擾了我很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樗菢?gòu)建全尺寸量子計(jì)算機(jī)的主要障礙。”

具有百萬量子比特控制能力，就可以使用量子計(jì)算機(jī)來解決實(shí)際問題，比如新疫苗的設(shè)計(jì)，而不僅限于量子優(yōu)越性的演示和證明了。另外，該技術(shù)中僅使用單個(gè)微波源，就能夠同時(shí)向數(shù)百萬個(gè)量子比特提供控制信號(hào)。”

事實(shí)上，新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)在量子研究上已積累了一定成果。2020 年 4 月，由安德魯·祖拉克（Andrew Dzurak）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一個(gè)概念驗(yàn)證型量子處理器單元，它能讓量子計(jì)算機(jī)以 1.5 的速度工作，這比此前量子處理器可工作的溫度高出 15 倍，而通常量子計(jì)算機(jī)需要在比絕對(duì)零高幾分之一度下運(yùn)行，因此這能讓研究人員無需再購買數(shù)百萬美元的制冷設(shè)備。

另據(jù)悉，安德魯還是 Qucor Pty Ltd 公司的董事，該公司旨在將相關(guān)研究商業(yè)化。未來，該團(tuán)隊(duì)將使用此次成果，來簡(jiǎn)化硅量子處理器的設(shè)計(jì)。

具體來說，通過移除片上控制線，就能給額外量子比特、以及構(gòu)建量子處理器所需的其他電子設(shè)備騰出空間，也會(huì)讓生產(chǎn)具有數(shù)十個(gè)量子比特設(shè)備的任務(wù)變得更簡(jiǎn)單。

而本次成果的實(shí)現(xiàn)，放在 20 世紀(jì) 80 年代還只是一個(gè)夢(mèng)想。同時(shí)，也意味著未來十年內(nèi)，有望誕生使用數(shù)千個(gè)量子比特來解決實(shí)際商業(yè)問題的量子計(jì)算機(jī)，比如，藥物和疫苗設(shè)計(jì)、代碼解密、人工智能和氣候變化等，都有望是量子計(jì)算技術(shù)的受益領(lǐng)域。

軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院研究員強(qiáng)曉剛告訴 DeepTech：“這項(xiàng)研究展示了一種面向電子自旋量子比特的新型操控方法，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的電子自旋量子比特操控。隨著量子比特可操控規(guī)模的增長(zhǎng)，量子系統(tǒng)的計(jì)算能力也將快速增長(zhǎng)，在量子模擬和優(yōu)化等問題中，將逐漸顯現(xiàn)超越經(jīng)典的計(jì)算能力，從而在新型材料輔助設(shè)計(jì)、藥物研發(fā)、組合優(yōu)化等應(yīng)用領(lǐng)域有望發(fā)揮重要作用。”

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