自旋翻轉型量子比特，大規模集成化的新方案

量子計算機的建造被稱為「21世紀的星球大戰計劃」，這是一項困難但是宏偉的挑戰，它的實現可以帶來革命性的變化，使得原本不可能的計算任務都迎刃而解，其強大的能力不僅可以助力醫療、國防、金融、化學和材料等學科的發展，還可應用於軟體調試、航天和交通規劃等實際問題中。

目前，基於超導電路的量子比特（谷歌和IBM在投入研製）和基於量子阱的量子比特，其電路體積較大，實現相對容易，在可操控量子比特數目方面處於領先位置。然而，正是由於它們的大體積，使得未來大數目量子比特的集成會面臨很大的問題，進而會影響到一些實際應用的量子演算法的實現。

近日，澳大利亞新南威爾士大學的工程師們發明了一種本質革新的量子計算機結構。這種結構基於新型的「自旋翻轉型量子比特」，可以使得大規模的製造量子晶元的成本和難度相比預想的要大幅度降低，利用現有技術便可輕易實現。

這種新型的設計發表在近期的Nature Communication上。不同於其他實現方法，該設計可以使得硅量子處理器在不用準確放置原子的情況下實現擴展。重要的是，它可以使得量子計算機中最基本的單元，即量子比特，之間的距離達到百納米量級而且依然保持耦合特性。

這種設計是由Andrea Morello領導的小組實現的。Andrea Morello是位於悉尼的量子計算和通信先進技術中心的一位項目經理，該中心依託新南威爾士大學建立。論文的首作者Guilherme Tosi是量子計算和通信先進技術中心的一位研究員，他同Morello和同在該中心工作的合作者Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt、Stefanie Tenberg一起提出了這一前沿概念，同時還有美國普渡大學的Rajib Rahman和Gerhard Klimeck。

量子計算機的高速而且強大的計算能力來自於量子比特可以處於疊加態的特性，但是，量子比特之間這種幽靈般的「糾纏」特性僅能存在於基本粒子的量子特性層面。「如果他們相隔太近或太遠，那麼量子比特之間的糾纏特性，這也是量子計算機中最神奇的地方，將不復存在。」 Tosi說。

「如果我們想在微小尺度下實現成千上萬個量子比特的集成，那麼控制線路和信號讀出線路也需要是納米量級，其插口的間距和電極的密度也要與之相匹配，這具有很高的難度。然而，Guilherme和團隊提出的這種新的設計提供了另外一種方法。」

Andrea Morello，這位新南威爾士大學量子技術的教授接著說：「我們的新型基於硅的方法正好解決了當前量子比特的矛盾，它的製作比原子尺寸的裝置要簡單，同時還可以在一個平方毫米上集成百萬個量子比特。」

Morello表示，新南威爾士大學已經引領全球在進行這種尺度下自旋量子比特的搭建。

在Morello團隊曾使用的單原子量子比特中，應用了Tosi的新設計：一個硅晶元上覆蓋有一層絕緣的二氧化硅，在其上方有一類金屬電極，工作在絕對零度和一個強的磁場下。

整個結構的核心是一個磷原子。Morello的團隊曾經使用磷原子的一個電子和其核子構建了兩個可用的量子比特。單就相干時間來說，這些量子比特是創世界紀錄的。

Tosi的概念突破是構建一種新型的量子比特，同時使用核子和電子。在這種方法中，量子比特的0態被定義為電子自旋向下而核子自旋向上的狀態，而1態則被定義為電子自旋向上而核子自旋向下。

「我們稱它為『自旋翻轉』量子比特，」 Tosi說。「在操作這個量子比特時，需要使用頂部的電極將電子遠離核子一段距離，通過這個操作，可以建立一個電偶極子。」

「Guilherme和團隊所提出的這種設計是對於自旋量子比特的一種新的定義方式。這種自旋翻轉量子比特既使用原子的電子又使用核子。重要的是，這種新型的量子比特使用電信號控制。相比於磁信號，晶元中的電信號更加容易分配和布置。」

「這是至關重要的一點，」Morello補充說，「這些電偶極子可以和彼此在很長的距離下進行相互作用，約有接近1微米的距離。」

「這意味著我們現在可以將單原子量子比特放置的比之前所能想像的還要遠，」他繼續說到。「所以可以在保持量子比特想干行的同時，還有充足的地方來布置其他關鍵的傳統器件，比如連接線、控制電極和讀出線路。」

Tosi表示，這種設計成功的避開了所有基於自旋的硅量子比特所面對的問題，這個問題在團隊試圖擴展大數量的量子比特的集成時也遇到過，即在實際的應用中需要將它們放置相隔10～20納米，約50個原子的長度的距離。

「這確實是一個絕妙的設計，而且它同其他的跨越式的理論一樣，可謂前無古人。」 Morello表示。

Morello稱Tosi這次提出的概念同1998年Bruce Kane在Nature上發表的開創性文章一樣重要。Kane當時作為新南威爾士大學的一個高級研究助理，偶然發現了一種架構，可以實現基於硅的量子計算機，觸發了澳大利亞建造量子計算機的競賽。

「向Kane的文章一樣，這篇文章也只是個理論，一個建議，目前這種量子比特還在搭建之中，」 Morello說到。「我們已經有了一些初步的實驗結果，證明這種方法是充分可行的，所以我們現在正在努力來證明它。但是我認為這篇文章如同Kane的文章一樣，本身即是一種成功。」

「實現量子計算機的商業實用需要耗費巨大的投入，但我們看到這個出色團隊的工作使得澳大利亞掌握了先機，」新南威爾士大學工程系主任Mark Hoffman說到。「這也反映出新南威爾士大學，和世界上許多頂級的科研機構一樣，如何在今天掌握著全球最高深知識的核心，並利用它來塑造我們的未來。」

今年八月，團隊成立了Silicon Quantum Computing Pty Ltd，這家作為澳大利亞第一家量子計算公司，旨在推動量子計算機的發展並且將團隊獨有的技術進行商業化。

這個來自新南威爾士大學的團隊已經與包括新南威爾士大學（2500萬）、電信巨頭Telstra（1000萬）、澳大利亞聯邦銀行（1400萬）和澳大利亞聯邦政府（2500萬）、新南威爾士洲政府（870萬）等簽訂了8300萬澳幣的協議。他們計划到2022年研製出一個10量子比特的基於硅基集成電路的晶元，作為邁向世界上第一台基於硅的量子計算機的第一步。

-End-

編輯：Alex

參考：

https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！