熱量子位推動了量子計算機(jī)實用化的里程碑進(jìn)展

（文章來源：量子認(rèn)知）

量子計算機(jī)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計算的設(shè)備。不同于電子計算機(jī)或傳統(tǒng)計算機(jī)，量子計算用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。從精密的藥物制造到搜索算法，在許多重要問題上，量子計算機(jī)都有望勝過傳統(tǒng)計算機(jī)。

然而，設(shè)計一種可以在實際環(huán)境中制造和運(yùn)行的量子計算機(jī)設(shè)備是一項重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前，世界各地正在開發(fā)的大多數(shù)量子計算機(jī)只能在絕對零度附近的超低溫條件下才能工作，這需要極其龐大的制冷設(shè)備與非常昂貴的制冷成本，如果一旦將它們接入傳統(tǒng)的電子電路，它們就會立即過熱而喪失其作用。

但是現(xiàn)在，由澳大利亞、加拿大、芬蘭和日本的科研團(tuán)隊為解決這一重大難題向前邁進(jìn)了一大步。他們不需要將量子計算機(jī)處于絕對零度附近的超低溫條件下才能工作。與全球正在探索的大多數(shù)量子計算機(jī)設(shè)計不同，通過一種稱為熱量子位的概念驗證的量子處理器單元，打破了量子計算機(jī)實用化道路上所存在的最大障礙之一，他們的研究成果發(fā)表在今天的《自然》雜志上。

論文第一作者為中國學(xué)者楊志煥（英文名：Henry Yang），系澳大利亞新南威爾士大學(xué)電氣工程與電信學(xué)院量子計算和通信技術(shù)中心研究人員。該量子計算機(jī)原理驗證實驗由楊志煥博士進(jìn)行，該研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、論文作者之一、安德魯·德祖拉克（Andrew Dzurak）教授稱楊志煥為“出色的實驗物理學(xué)家”。

德祖拉克教授說：“我們的研究新成果為從量子計算實驗設(shè)備到可實用的量子計算機(jī)開辟了一條通路，可用于現(xiàn)實世界的商業(yè)和政府應(yīng)用?！毖芯咳藛T在硅芯片上進(jìn)行概念驗證的量子處理器單元，工作溫度為1.5開爾文（Kelvin）溫度，比谷歌，IBM等公司使用超導(dǎo)量子位技術(shù)開發(fā)的主要競爭基礎(chǔ)量子芯片技術(shù)高出15倍。

德祖拉克解釋說：“這雖然仍很冷，但僅用幾千美元的制冷量就可以達(dá)到這個溫度，而不是將芯片冷卻到0.1開爾文低溫所需的數(shù)百萬美元?！薄氨M管使用我們?nèi)粘５臏囟雀拍顚Υ穗y理解，但這種溫度的增加在量子世界中是極其重要的?！毖芯咳藛T認(rèn)為，他們已經(jīng)克服了阻礙量子計算機(jī)成為現(xiàn)實的最艱巨的障礙之一。

量子位對是量子計算的基本單位。如經(jīng)典計算機(jī)模擬位一樣，每個量子位都表征兩個狀態(tài)（0或1）以創(chuàng)建二進(jìn)制代碼。但是，與經(jīng)典比特不同，量子位可以同時顯示兩種狀態(tài)，即所謂量子“疊加”。該研究團(tuán)隊開發(fā)的單元包含兩個量子位，它們被限制在一對嵌入硅的量子點中成為熱量子位。這樣的研究結(jié)果可以使用現(xiàn)有的硅芯片工廠進(jìn)行生產(chǎn)，并且無需數(shù)百萬美元的冷卻即可運(yùn)行。與傳統(tǒng)的硅芯片集成起來也將更加容易。

熱量子位，或稱熱量子比特，英文：Hot Qubits，其概念比如下圖所示，兩個糾纏在一起的電子自旋量子位波函數(shù)（藍(lán)色）嵌入到硅晶體振動狀態(tài)場中，該振動狀態(tài)稱為聲子（紅色），可以傳遞熱量。

熱量子位通過兩個量子位的單獨相干控制，它突顯了對未來量子系統(tǒng)和硅自旋量子位進(jìn)行低溫控制的潛力，非常類似于單個電子晶體管，可以集成在一個集成封裝中。將控制電子器件和自旋量子位集成在同一芯片上，極大地簡化了兩者之間的互連。該方法能夠利用其在高級封裝和互連技術(shù)方面的專業(yè)知識，為實現(xiàn)量子實用性提供一條可擴(kuò)展的途徑。也就在同一期出版的《自然》雜志中還有另一篇論文專門論述熱量子位最新研究成果。

《自然》雜志在同一天的刊物上同時刊登同一科研課題的兩大研究成果，這在《自然》雜志歷史上是相當(dāng)少有的?？磥恚瑹崃孔游坏难芯看_實“熱”，它代表了當(dāng)前量子計算機(jī)的研究“熱”點與方向。

能夠執(zhí)行設(shè)計例如新藥設(shè)計所需的復(fù)雜計算的量子計算機(jī)，將需要數(shù)百萬個量子位對，通常被認(rèn)為至少還需要十年。對數(shù)百萬個量子位的需求對設(shè)計人員提出了巨大挑戰(zhàn)。德祖拉克教授解釋說：“添加到系統(tǒng)中的每個量子位對都會增加所產(chǎn)生的總熱量，并且增加的熱量會導(dǎo)致錯誤。這就是為什么當(dāng)前的設(shè)計需要保持接近絕對零度的主要原因?！?/p>

這一研究成果將有可能使用常規(guī)的硅芯片代工廠創(chuàng)建更溫暖、更便宜和更強(qiáng)大的量子計算機(jī)，是量子計算機(jī)邁向?qū)嵱没缆飞系睦锍瘫M(jìn)展。
（責(zé)任編輯：fqj）