眼見為實——原子量子比特實現里程碑式量子計算突破

由硅中精確定位的磷原子產生的量子比特的電子波函數的掃描隧道顯微鏡圖像。圖片來自：新南威爾士大學

近日，澳大利亞科學家通過利用硅中精確定位的單個原子創建量子比特的這種獨特方法取得了重大突破——這個由新南威爾士大學科學家領導的研究組首次證實了他們可以讓兩個原子量子比特一起「聊天」。

該研究組由澳大利亞新南威爾士大學量子計算和通信技術卓越中心(CQC2T)主任米歇爾·西蒙斯(Michelle Simmons)教授領導，他們是世界上唯一能夠觀察到量子比特在在固體物質中的確切位置的量子比特研發團隊。

西蒙斯團隊通過精確定位並封裝硅晶元中的單個磷原子來創建原子量子比特，而信息存儲在單個磷電子的量子自旋上。

最近，該小組在量子比特研究方面又取得了重大突破——第一次觀察到兩個量子比特之間的可控相互作用，這項發現已經發表在《自然通訊》雜誌上。他們打算採用這種獨特的方法，結合另外兩項最新突破構建量子計算機。

通過優化他們的納米製造工藝，西蒙斯團隊最近還研製了具有半導體器件電雜訊最低記錄的量子線路。此外，他們還創建了一個電子自旋量子比特，它在納米電子設備中的最長有效期可以達到30秒。

西蒙斯說：「這三篇研究論文的綜合結果證實了利用我們的原子量子比特構建多比特系統的前景非常光明。」

靈感源自理查德.費曼

2018年1月，米歇爾·西蒙斯因其在量子計算領域的傑出貢獻，榮獲澳洲年度人物獎，她表示他們團隊的開創性工作主要是受到了已故物理學家理查德.費曼(Richard Feynman)的啟發。 「費曼曾說過，我都無法理解的東西，就更沒辦法創造它了。受他啟發，我們正在制定系統的量子計算研發戰略：先從基礎研究做起，從一個個原子開始。」西蒙斯說，「在將磷原子放入硅中製造量子比特的過程中，我們已經證明，我們可以使用掃描探針直接測量原子的波函數，從而發現它在晶元中的確切物理位置。我們是世界上唯一能看到我們的量子比特在哪個位置的研發團隊。」

新南威爾士大學量子計算和通信技術卓越中心主任米歇爾·西蒙斯與掃描隧道顯微鏡合影。圖片來自：新南威爾士大學

「我們的競爭優勢是，我們可以把高質量的量子比特按照我們的意願放在晶元中任何位置，然後通過使用我們獲得的新研發進展，測量它的性能。我們還可以在附近添加另外一個量子比特，看看兩個波函數是如何相互作用的。然後我們就可以開始生成創建的新設備的複製品了。」她解釋說。

在新的研究中，研究小組將兩個量子比特(一個由兩個磷原子構成，另一個由一個單一的磷原子構成)放置在距離硅晶元16納米處。

「我們通過使用精密技術在晶元上形成類似電極的圖案，進而得以控制這些相鄰兩量子比特之間的相互作用，從而使電子的量子自旋互相關聯。」該論文的合作作者Matthew Broome博士解釋說，他以前也在新南威爾士大學任職，現在在哥本哈根大學。

「觀看這一過程十分有趣，當一個電子的自旋向上時，另一個會向下運動，反之亦然。」Matthew 說，「這是量子計算技術的又一重大里程碑。這些類型的自旋關聯是量子計算機進行複雜計算所需的糾纏態產生的前兆。」

新南威爾士大學的Sam Gorman教授表示：「理論預測，要想觀察這種相互作用，需要使兩個量子比特相距20納米遠。但事實上，我們發現，這種相互作用只在它們相距16納米遠的時候出現。」

領導建立硅量子計算機的競賽

現在，CQC2T新南威爾士大學的科學家和工程師們在建造硅量子計算機的研發競賽中處於世界領先地位。他們正在同時利用單原子和量子點量子比特開發專利方法。

「我們希望這兩種方法都能很好地發揮作用。如果真的都成功了，那對澳大利亞來說真是一件大喜事。」西蒙斯說。

新南威爾士大學團隊之所以選擇用硅來研發量子計算機，是因為硅中的環境對於量子比特來說十分穩定，且容易獲得。另外，硅材料在傳統計算機工業中有著悠久歷史，這也就意味著人類對於這種材料有著廣泛的了解。

2012年，西蒙斯團隊使用掃描隧道顯微鏡定位硅中的磷原子，然後用分子束外延封裝它們，創造了世界上最窄的導線，僅四個磷原子並排那麼寬，而高度只有一個原子高。

在最近發表在《納米快訊》上的一篇文章中，他們介紹了使用類似的原子尺度控制技術製造的一種2-10納米寬的線路，這種線路具有最低的電雜訊記錄。這項研究工作由印度科學院的Saquib Shamim和Arindam Ghosh完成。

圖為兩個量子比特的藝術加工圖片（一個由兩個磷原子構成，一個由一個單一的磷原子形成），它們被放置在距離硅晶元16納米遠的位置。新南威爾士大學的科學家能夠控制兩量子比特之間的相互作用，因此電子的量子自旋能互相關聯。當一個電子自旋向上，另一個電子則會自旋向下。圖片來自：新南威爾士大學

西蒙斯說：「人們普遍認為，控制量子比特的線路中的電信號是限制其性能的一個關鍵因素。」

「實驗結果證明，硅的確是最佳選擇，因為它可以避免大多數其他材料器件面臨的問題，即需要將不同材料的混合使用，包括電介質和表面金屬，這可能是產生電雜訊的主要原因之一。」她解釋說，「目前，我們已經達到了我們認為電子晶體管在硅中可能達到的最低電噪音水平——比使用碳納米管還低三個數量級。」

在最近發表在《科學進展》雜誌上的另一篇文章中，西蒙斯團隊展示了硅量子比特的最新突破——電子自旋的有效期可以達到30秒，比以前報道的最高紀錄還要長16倍。該論文的第一作者是Thomas Watson博士，他從新南威爾士大學獲得了博士學位之後，現就職於代爾夫特理工大學。

「這是一個熱門的研究課題。」西蒙斯說，「電子自旋在開始衰變之前的有效期(例如從自旋向上到自旋下降)是至關重要的。有效期越長，我們在量子態中存儲信息的時間就越長。」

在同一篇論文中，他們表示，足夠長的有效期使他們能夠讀出兩個量子比特的電子自旋序列，每個的精度高達99.8%，這已經達到了量子處理器進行實際糾錯所需的水平。

澳大利亞的第一家量子計算公司

量子計算機不是像傳統的經典計算機那樣一個接一個地進行運算，而是並行工作，它能夠同時查看所有可能的結果。它將能夠在幾分鐘內解決經典計算機需要數千年的時間才能搞定的複雜問題。

去年，澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立了第一個量子計算公司——硅量子計算公司(Silicon Quantum Computing Pty Ltd)，該公司由澳大利亞政府、工業和大學聯合支持，其成立初衷是要讓CQC2T的研究成果實現商業化。該公司的目標是要在2022年之前在硅中研製出具有10個量子比特的展示裝置，這將是硅量子計算機的前身。

據估計，澳大利亞40%的產業可能會明顯受到量子計算的影響。量子計算可能的應用包括軟體設計、機器學習、調度和後勤規劃、財務分析、股票市場建模、軟硬體驗證、氣候建模、快速藥物設計和測試以及早期疾病檢測和預防等。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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