将量子计算的速度提升200倍！硅基原子级两比特量子门问世

两比特量子门（图片来源：新南威尔士大学）

　　近日，澳大利亚物理学家宣布了在量子计算领域的新进展，使基于硅的磷原子可扩展量子计算从原理上得到实现，是构建原子级量子计算机的重要里程碑。

　　撰文：鲁婧涵

　　日前，澳大利亚新南威尔士大学量子物理学教授米歇尔·西蒙斯领导的团队取得了量子计算领域的新突破。

　　量子计算机是利用量子相干叠加原理进行高速运算、存储和处理信息，具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。它将信息存储在量子比特中。量子比特门是量子计算机的逻辑门。

　　西蒙斯团队使用扫描隧道显微镜，在天然硅材料里放置两个磷原子。这一纳米级别精度的操作，让磷原子形成势阱囚禁电子，通过控制电子的相互作用创建了首个硅基磷原子的两比特量子门。这个两比特量子门能在 0.8 纳秒内完成运算操作，比目前其他基于硅的两比特量子门操作快 200 倍。

　　这项研究的论文于近期发表在《自然》杂志上。这项里程碑式的成果满足了该体系量子计算的五大判决要求（Di Vincenzo’s criteria）的最后一条，结合之前的成果，基于硅的磷原子量子计算体系达成可扩展的量子计算从原理上成为现实。

　　研究团队如上图。左起：米歇尔·西蒙斯（团队领导和中心主任）、山姆·戈尔曼博士（联合第一作者）、贺煜博士（联合第一作者）、卢德维克·克兰克、乔里斯·凯泽博士和丹尼尔·基思。（来源：afr.com）

　　硅基磷原子量子两比特门

　　判断一个系统能否实现量子计算包含的五大判决要求包括：

物理系统可扩展且系统中的量子比特具有良好性能；
将量子比特的状态初始化为简单基态的能力；
去相干时间长；
一组“通用”量子比特门（包含单比特量子门和两比特量子门）；
一种基于量子比特的测量能力。

　　“我们以硅为载体的磷原子体系此前已经证明了1、2、3、5，此次研究实际上是把 4 的两比特量子门证明了，”论文联合第一作者贺煜告诉《环球科学》，“该结果说明，从理论上说，这个体系想要做可拓展量子计算是没有问题的。”（“可扩展的量子计算”指能够实现的量子比特数量要具有一定的规模——拥有几百到上千个量子比特的量子计算机才真正具有比经典计算机优越的性能，其中所有的量子比特之间应当能够互相分辨，单独操作，以及从整体上完全掌控它们的行为。）

　　他们的芯片利用扫描隧道显微镜进行加工。操作过程是：通过单个原子或一个原子团簇的摆放形成一个量子点，一个量子点自带势阱，势阱可以囚禁住电子，然后在电子上进行量子操作，电子的自旋则携带有量子比特信息。

实验装置图（来源：研究论文）

　　此前，理论研究已经证明，以硅为载体的磷电子自旋之间的交换作用，有望使双量子比特门实现快速(千兆赫兹)门运算。

　　然而，实现磷原子两个电子之间的量子比特门所需的交换关系（打开或关闭），直到现在才成为可能。这是因为此前在调整原子电路以获得高保真度、独立的自旋读数时，很难确定交换作用打开或关闭所需的原子距离。

　　西蒙斯团队解决了这一问题。他们通过实验发现当原子距离缩短至 13 纳米时，量子门交换作用的打开或关闭能顺利进行。（原子距离远，交换门不易打开；原子距离近，交换门不易关闭）。

　　“我们直接通过实验（而非理论建模）来确认电路中量子比特的位置，”西蒙斯说，“让量子芯片自己来帮助构建它自己。”

　　目前，新南威尔士大学的双原子量子比特门可在 0.8 纳秒内完成一次操作，比其他基于硅的量子门（在硅上加电极形成的量子门）快 200 倍。但西蒙斯教授表示，她不会急于将其构建成集成电路。

　　2018 年 3 月，新南威尔士州大学实验室证明，量子比特可以通过电子自旋的经典关联实现很简单的“交谈”，即电子之间可以存在关联。而目前报道的成果则这是科学家们第一次将两个原子量子比特纠缠在一起，并设法在它们之间交换信息。

　　新南威尔士大学研究小组说，三个或四个纠缠的量子比特可以执行一个简单的算法。西蒙斯团队的下一个目标是在 5 年内构建 10 比特的量子集成电路，并希望在 10 年内实现商业化。

　　为什么选择硅材料？

　　量子计算门派众多，包括超导体量子计算，半导体量子计算，光量子计算等。

　　2018 年 1 月，英特尔推出了名为 Tangle Lake 的 49 量子比特测试芯片；两个月后，谷歌推出了名为 Bristlestone 的 72 量子比特处理器。

　　它们使用的是以超导电路作为量子计算处理器的基础。超导材料中也能发生量子现象。例如，当超导材料中的电子同时进行顺时针和逆时针的移动，这就是量子现象。超导量子芯片前景很大，但是电路设计难度随着比特数增多而增大。

　　以半导体硅为载体的量子计算在国际上也有几条不同的路线。西蒙斯利用硅中杂质磷原子做量子计算。另一种是在硅样品上加各种电极，然后通过电极形成势阱，利用势阱囚禁电子作为量子计算的比特。这个方向上的两比特门和单比特门已得到证明，但它对电极的密度要求非常高，因为一个比特需要2－3 个电极，所以电极会排的非常密。

　　但西蒙斯表示，她的实验室在硅基使用基于原子的量子比特的方法，最终将超越竞争对手。

　　西蒙斯说，基于硅的量子比特更受欢迎，因为它们具有最长的相干时间和最高的保真度（分别衡量量子比特保持量子态的时间和交换信息的准确性）。

　　西蒙斯团队最新方案的量子比特保真度达 94%。未来，他们将通过降低电荷噪声，降低电子温度，用纯净同位素 28 硅代替自然硅等方式继续提升保真度。

　　西蒙斯说，这项成就是科学家们 20 年努力的结晶，这些努力将推动科学家们朝着“可扩展性的硅量子计算机”的目标迈进。

　　量子计算产业

　　评估量子计算成功有两种常见的度量标准。第一种是制造一台性能超过传统计算机的机器，从而实现“量子霸权”。另一种是开发具有可行商业应用程序的处理器。前者需要大约 50 个量子比特，后者需要的量子比特更少。

　　传统计算机包含数百万个晶体管，其值为 0 或1。但量子计算机可以制备两个逻辑态 0 和 1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储 0 和1。

　　由于能同时存在两种状态，量子比特能比比特更快地解决问题。量子计算机理论上可以彻底改变任何依赖于繁重计算和数据处理的行业。

　　这可能意味着更准确的天气预报、更有效的通勤时间、更安全的航空系统、更好地识别行星和生命、更智能的自动驾驶汽车、更好的药物治疗和超个性化的营销。

　　昆士兰大学数学与物理学院教授汤姆·斯塔斯说，量子物理学已经从一个几乎完全以大学为中心、只做研究的领域成长为一个蓬勃发展的商业产业。

　　他表示:“这个产业正在爆炸式增长，全球还缺少大约 2 万名量子专家。量子技术正在密码学、医学、工业化学模拟以及提升传感器测量精确等方向寻找应用。”

　　参考资料：