低溫下精準(zhǔn)控制量子比特的芯片問世

由悉尼大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低溫量子控制平臺(tái)。圖片來源：澳大利亞悉尼大學(xué)

量子計(jì)算機(jī)要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化，關(guān)鍵在于如何穩(wěn)定、精準(zhǔn)地控制海量量子比特。澳大利亞悉尼大學(xué)與新南威爾士大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在這一方向取得重要突破。他們開發(fā)出一種低溫下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的芯片，有望將芯片上的量子比特?cái)?shù)量從目前的幾十個(gè)擴(kuò)展到百萬量級(jí)。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然》期刊上。

研究團(tuán)隊(duì)研制出一種可在毫開爾文溫度條件下控制自旋量子比特的硅芯片。這一溫度略高于絕對(duì)零度（-273.15℃），理論上是物質(zhì)完全靜止的極限。自旋量子比特將信息編碼在單個(gè)電子的磁方向上，具有易于擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，并與當(dāng)前廣泛使用的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)兼容。

自旋量子比特必須在1開爾文以下的極低溫度才能穩(wěn)定運(yùn)行，保持其量子信息。此外，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展，還需通過復(fù)雜集成電子系統(tǒng)來控制與讀取這些量子比特。而這又帶來一個(gè)重大難題：若控制電路距離過近，產(chǎn)生的熱量和電噪聲可能會(huì)干擾量子態(tài)的穩(wěn)定性。

此次，研究團(tuán)隊(duì)首次證明，通過精密設(shè)計(jì)，這種干擾也可避免。實(shí)驗(yàn)顯示，該芯片能實(shí)現(xiàn)對(duì)單比特和雙比特操作的高保真控制，幾乎無性能損失，且不會(huì)影響量子態(tài)的相干性。這意味著控制系統(tǒng)可與量子比特緊密集成，解決了長期困擾量子計(jì)算擴(kuò)展的“干擾”和“發(fā)熱”難題。相關(guān)測量還表明，系統(tǒng)功耗極低，總體控制功率僅約10微瓦，其中模擬部分每兆赫僅耗電20納瓦，有望支持百萬量級(jí)量子比特的擴(kuò)展。

該實(shí)驗(yàn)印證了科學(xué)界長期以來的一個(gè)設(shè)想，即在一定的溫度環(huán)境下，復(fù)雜的電子系統(tǒng)也可與量子比特集成，實(shí)現(xiàn)精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)，即使量子比特與不到一毫米遠(yuǎn)的晶體管芯片共存，其量子態(tài)幾乎不會(huì)受到干擾。

這項(xiàng)研究為在CMOS技術(shù)基礎(chǔ)上，將自旋量子比特規(guī)模化至上百萬個(gè)，從而構(gòu)建實(shí)用量子計(jì)算機(jī)提供了可行方案。研究人員認(rèn)為，該低溫電子平臺(tái)不僅可助力量子計(jì)算，還將在傳感系統(tǒng)和未來數(shù)據(jù)中心等多個(gè)領(lǐng)域釋放潛力。（記者張佳欣）

(責(zé)編：郝孟佳、熊旭)