新南威尔士大学的 Andrew Dzurak 教授（右）

文｜学术头条

量子比特是量子计算的基本单位。就像经典计算模拟位一样，每个量子比特都表征两种状态（0 或 1）进而形成二进制代码。然而，与位不同的是，它可以同时显示两种状态，即所谓的 “叠加” 状态。

量子计算平台有望在一系列重要问题上超越传统计算机，从精确的药物制造到搜索算法。然而，设计一种可以在真实环境中制造和运行的量子计算设备是一项重大的技术挑战。

由于热产生的振动会干扰量子比特进而影响其工作性能，现有的量子计算平台需要冷却至极低温度。一般来说，平台需要在约 0.1K（开尔文）即零下 273.05℃的温度下运行，否则存储在这些量子比特中的量子信息通常很快就会丢失，而达到这种温度需要非常昂贵的成本和严苛的制冷技术。

本周三，《自然》杂志同时发表两篇论文，展示了可以在比现有技术高出数倍的温度下运作的量子计算平台。

德尔夫特理工大学 Menno Veldhorst 和他的研究团队制作了一个能在 1.1K 温度下运作的量子计算平台。

新南威尔士大学 Andrew Dzurak 和他的研究团队演示了一个能在约 1.5K 的温度下运作的量子计算平台。

研究人员表示，虽然相对温升很小，但对于将现有原型机扩展至更大更强的量子计算机来讲，研究结果或能带来重大的影响。同时，运行温度的提高代表着现有量子计算平台向实用性方面迈进的一个重要飞跃。

制约量子计算发展的温度

想象一下如果将量子处理器单元插入传统常温的电子电路它们会怎么样呢，答案显然是它们就会立即过热。

一直以来，温度是困扰量子计算平台得到大规模应用的难题之一。在世界范围内开发的大多数量子计算机只能以绝对零以上 0.1℃的温度下运行，而达到这个温度则需要数百万美元的制冷设备。

因此通常来讲，量子比特在特殊的 “冰箱” 中发挥作用，但它们仍由在室温下工作的传统电子设备控制，这也是阻碍技术进步的主要障碍。

现在，来自新南威尔士大学的 Andrew Dzurak 教授和德尔夫特理工大学的研究员 Menno Veldhorst 领导的研究人员已经分别一定成都上解决了这个问题。

Dzurak 解释道：“添加到系统中的每个量子比特对都会增加产生的总热量，并且增加的热量会导致错误。这就是为什么当前的设计必须保持接近绝对零度的主要原因。”

同时，Dzurak 教授表示：“我们的新成果为量子计算机从实验设备到价格合理的量子计算机开辟了一条道路，可以在现实世界的商业和政府中得以应用。”

2019 年 2 月，Dzurak 的研究小组首次通过学术预印本档案馆（Academic Pre-print Archive）公布了他们的实验结果。而在 2019 年 10 月，由 Dzurak 研究小组的前博士后研究员 Menno Veldhorst 领导的荷兰小组宣布了使用 2014 年在新南威尔士大学开发的相同硅技术的产生了类似结果。

世界相对两侧的两个研究小组对这种热量子比特（Hot Qubit）行为的确认，导致两篇热量子比特技术论文在今天的同一期《自然》杂志上同时发表。

硅基量子比特技术

与世界上正在探索的大多数设计不同，在发表在《自然》杂志的两项独立研究，分别报道了在温度高于 1K（零下 272.15℃）的硅基量子计算平台上进行的原理验证性实验。

Menno Veldhorst 和他的研究团队制作了一个能在 1.1K 运作的量子电路，Andrew Dzurak 和他的研究团队演示了一个能在约 1.5K 的温度下运作的系统。

硅能把超过 1K 温度下正常运作的材料很好地与周围物质隔离开，因此这两项研究都将电子在硅中的自旋作为量子比特。在这种极低的温度下，“冰箱” 强大到可以允许引入局域电子来校正量子比特，研究人员认为这是将量子处理器扩展到百万量子比特的必要条件之一。

由 Dzurak 带领的研究团队开发的单元包含两个量子比特，它们被限制在嵌入硅的量子点中。这种硅材料扩大规模后可以使用现有的硅芯片工厂进行生产，并且可以使量子计算平台无需数百万美元的冷却即可运行。使用硅的量子计算平台与传统的硅芯片集成起来也将更加容易，这将是控制量子处理器所必需的。

研究人员在硅芯片上进行量子处理器单元的概念验证，其工作温度为 1.5K，比 Google、IBM 等公司使用超导量子比特技术开发的主要竞争芯片技术高出 15 倍。

Dzurak 解释说：“虽然这仍是一个非常低的温度，但是仅用几千美元的制冷价值就可以达到这个温度，而不是将芯片冷却到 0.1K，那将需要数百万美元。虽然用我们日常的温度概念很难理解，但是这种增长在量子世界中是极端的。”

德尔夫特理工大学博士生 Luca Petit 表示：“虽然温度的升高仅有一点，但就可用的冷却能力而言，这是一个巨大的飞跃。在这些温度下，量子比特不再必须在真空中工作，而是可以浸入液体中，这使一切变得更加实用。”

研究人员相信，他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最困难的障碍之一。

量子集成电路的未来

研究人员认为，将工作温度提升至 1K 以上是一个重要的里程碑，因为冷却到这一临界值以下既具有挑战性同时成本高昂。

随着温度上升到 1K 以上，成本将大大降低，效率将显著提升。此外，使用硅基平台也是很有诱惑力的选择，因为这将有利于使平台集成使用现有硅基硬件的经典系统中。

举个简单的例子，能够执行设计新药物所需复杂计算的量子计算机，将需要数百万个量子比特对，数百万个量子比特的需求对设计人员提出了巨大挑战。

当扩大量子比特的数量时，量子比特和电子器件之间的分离会引起问题。目前，需要一条单独的电缆将每个量子比特连接到其控制电子设备上。当获得一台工作的量子计算机所需的数百万个量子比特时，这不再可行。

在超低的温度下，维持量子计算机有足够的量子比特以供使用的前景令人望而生畏，原因在于这项技术成本高昂，并且将制冷技术推向了极限。

对于量子计算平台未来的发展道路，Veldhorst 表示，现在量子技术的状况与在 20 世纪 50 年代的计算机技术相似。

“那时，每个元器件都必须焊接在一起，这对于越来越大的电路需求来说是不可行的。这个问题的解决方案是集成电路。它使得直接在芯片上构建组件成为可能，最终使数十亿晶体管被放置在同一个芯片上。”

Veldhorst 补充道：“我们正在努力建立一个包含越来越多高质量量子比特的系统。工作在 1.1K 的温度下有极大的好处，我们现在可以开始考虑将量子硬件和经典硬件集成到一个芯片上。在这样做的过程中，我们将创造量子集成电路。”

“ 2015 年，我们首次展示了两个可验证的硅量子比特。现在到 2020 年，我们已经在实际温度下取得了同样的成就。再过五年，我们可能已经有了量子集成电路。那将是迈向未来量子计算平台的一大步。”

参考资料：

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-04/uons-hqb040820.php

https://qutech.nl/hot-dense-and-coherent-scalable-quantum-bits-operate-under-practical-conditions/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2171-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2170-7