新技術(shù)可以讓100萬個(gè)量子比特可以做在一塊尺寸與傳統(tǒng)微處理器相同的芯片上

據(jù)悉，科學(xué)家們已研發(fā)出他們所說的硅量子微芯片的第一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案。這預(yù)示著有可能完全使用傳統(tǒng)硅技術(shù)來生產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)開啟或關(guān)閉晶體管，從而將數(shù)據(jù)表示為1和0。相比之下，量子計(jì)算機(jī)使用量子比特（qubit）；由于量子力學(xué)的性質(zhì)，量子比特可能處于疊加狀態(tài)，而在這個(gè)狀態(tài)下，量子比特可以同時(shí)是1和0。

疊加讓量子比特一次執(zhí)行兩次計(jì)算。如果2個(gè)量子比特是量子力學(xué)聯(lián)系在一起的，即糾纏（entangled），它們可以同時(shí)執(zhí)行22即4次計(jì)算。3個(gè)量子比特可同時(shí)執(zhí)行23即8次計(jì)算，依次類推。原則上，擁有300個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)瞬間所能執(zhí)行的計(jì)算次數(shù)比可見宇宙中的原子總數(shù)還多。

全球各地的研究團(tuán)隊(duì)在探究各種不同的方法來制造切實(shí)有用的量子計(jì)算機(jī)。目前至少有五種量子計(jì)算方法在探索當(dāng)中：硅自旋量子比特、離子阱、超導(dǎo)環(huán)、鉆石空位和拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

所有量子計(jì)算策略共同面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，量子比特很容易受到熱及其他噪聲的干擾。為了克服這個(gè)弱點(diǎn)，量子計(jì)算機(jī)需要使用糾錯(cuò)碼來保護(hù)它們免受干擾。比如說，來自單個(gè)“邏輯”量子比特的信息可以擴(kuò)散到幾個(gè)高度糾纏的“物理”量子比特，以減小任何環(huán)境干擾會(huì)篡改相關(guān)信息的可能性。

需要使用量子糾錯(cuò)碼表明，量子計(jì)算機(jī)可能需要多達(dá)數(shù)百萬個(gè)量子比特才能解決復(fù)雜問題，確保切實(shí)有用。而事實(shí)證明，讓現(xiàn)有的量子計(jì)算策略支持?jǐn)?shù)量如此龐大的量子比特是個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，澳大利亞的一批科學(xué)家已研發(fā)出了一種設(shè)計(jì)，他們表示可以將數(shù)百萬個(gè)硅自旋量子比特集成到微芯片上。悉尼新南威爾士大學(xué)澳大利亞國家制造中心主任安德魯?祖拉克（Andrew Dzurak）表示，此外，“所有部件都可以由傳統(tǒng)的硅片制造工廠使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS材料來制造?！弊胬耸墙裉彀l(fā)表在知名雜志《自然》網(wǎng)絡(luò)版上的這篇論文的高級(jí)作者，論文詳細(xì)介紹了這個(gè)科研小組的研究工作。

祖拉克表示，這個(gè)芯片設(shè)計(jì)方案的一個(gè)重要進(jìn)展是傳統(tǒng)電子部件的架構(gòu)，這些電子部件可以操縱和讀出來自數(shù)百萬個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)。他補(bǔ)充道，其他量子計(jì)算設(shè)計(jì)大多數(shù)只專注于量子比特層面的架構(gòu)，忽略了傳統(tǒng)的電子部件，或者將控制電子元件做到單獨(dú)的芯片上。 祖拉克說：“這是第一種將所有東西統(tǒng)統(tǒng)集成到一塊芯片上的設(shè)計(jì)?！?/p>

祖拉克表示，這個(gè)設(shè)計(jì)方案的另一個(gè)關(guān)鍵部分就是專門為硅自旋量子比特設(shè)計(jì)的一種新的糾錯(cuò)碼。他說：“基本上，它讓100萬個(gè)量子比特可以做在一塊尺寸與傳統(tǒng)微處理器相同的芯片上?！?/p>

祖拉克表示，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)方案，需要邁出的頭一步就是設(shè)計(jì)出用來選擇量子比特的晶體管。他補(bǔ)充道，另一步就是設(shè)計(jì)精確的元件布局和特征尺寸，最大限度地減少部件之間的相互干擾。祖拉克說：“所有階段都需要為整個(gè)架構(gòu)的每一個(gè)部分（從量子比特柵電極到連接線）設(shè)計(jì)和開發(fā)特定的制造工藝?！?/p>

研究人員目前有6370萬美元的資金，用于在2022年之前開發(fā)出10個(gè)量子比特的硅量子集成電路原型。新南威爾士大學(xué)、澳大利亞電信公司Telstra、澳大利亞聯(lián)邦銀行和澳大利亞及新南威爾士州政府達(dá)成了一項(xiàng)協(xié)議，而這筆資金是其中的一部分。今年8月，這些合作伙伴共同設(shè)立了澳大利亞第一家量子計(jì)算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以促進(jìn)開發(fā)和商用該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的技術(shù)。

祖拉克說：“我們不會(huì)一開始就力求做出100萬個(gè)量子比特的芯片。我們會(huì)從比較適中的目標(biāo)開始入手，比如說10個(gè)量子比特的設(shè)備，然后提高到100個(gè)量子比特，再逐漸提高到100萬個(gè)量子比特，就像適用于傳統(tǒng)微處理器的摩爾定律那樣。”