低溫下精準控制量子比特的芯片問世

由悉尼大學領導的研究團隊開發(fā)的低溫量子控制平臺。圖片來源：澳大利亞悉尼大學

量子計算機要真正實現(xiàn)大規(guī)模實用化，關鍵在于如何穩(wěn)定、精準地控制海量量子比特。澳大利亞悉尼大學與新南威爾士大學的研究團隊在這一方向取得重要突破。他們開發(fā)出一種低溫下實現(xiàn)精準控制的芯片，有望將芯片上的量子比特數(shù)量從目前的幾十個擴展到百萬量級。相關成果近日發(fā)表在《自然》期刊上。

研究團隊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零度（-273.15℃），理論上是物質完全靜止的極限。自旋量子比特將信息編碼在單個電子的磁方向上，具有易于擴展的優(yōu)勢，并與當前廣泛使用的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術兼容。

自旋量子比特必須在1開爾文以下的極低溫度才能穩(wěn)定運行，保持其量子信息。此外，要實現(xiàn)大規(guī)模擴展，還需通過復雜集成電子系統(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干擾量子態(tài)的穩(wěn)定性。

此次，研究團隊首次證明，通過精密設計，這種干擾也可避免。實驗顯示，該芯片能實現(xiàn)對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算擴展的“干擾”和“發(fā)熱”難題。相關測量還表明，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，有望支持百萬量級量子比特的擴展。

該實驗印證了科學界長期以來的一個設想，即在一定的溫度環(huán)境下，復雜的電子系統(tǒng)也可與量子比特集成，實現(xiàn)精確控制。實驗結果表明，只要控制系統(tǒng)設計得當，即使量子比特與不到一毫米遠的晶體管芯片共存，其量子態(tài)幾乎不會受到干擾。

這項研究為在CMOS技術基礎上，將自旋量子比特規(guī)模化至上百萬個，從而構建實用量子計算機提供了可行方案。研究人員認為，該低溫電子平臺不僅可助力量子計算，還將在傳感系統(tǒng)和未來數(shù)據(jù)中心等多個領域釋放潛力。（記者張佳欣）

(責編：郝孟佳、熊旭)