最多可容纳400万个量子比特，科学家发现量子计算机“拼图缺失部分”.

近日，新南威尔士大学的研究团队解决了一个困扰学术界数十年的问题：即如何在不占用宝贵空间的情况下控制数百万个量子比特。该团队提出了一种能同时控制数百万个自旋量子比特的新技术，或将加速商用量子计算机的到来。

（来源：新南威尔士大学）

这意味着开发全尺寸量子计算机的重大障碍得以破除，研究团队表示借助该成果他们找到了“量子计算机架构中‘缺失的拼图’”。

（来源：新南威尔士大学）

当地时间 8 月 13 日，相关论文以《使用全局场的纳米电子器件中的单电子自旋共振》（Single-electronspin resonance in a nanoelectronic device using a global field）为题，发表在 ScienceAdvances 上。另据悉，此次研究由该校电气工程与电信学院高级研究员贾里德·普拉（Jarryd Pla）负责。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

上海交大量子信息专业博士乔璐枫告诉 DeepTech：“大规模量子比特的控制能力对于实现量子计算机至关重要。量子计算机在许多重要问题上，如量子模拟（帮助材料和药物开发）和优化，都显著优于经典的同类计算机。然而对于一个用于解决实际问题的大规模和完全容错的量子计算机，可能需要超过 100 万量子比特。这项工作将之前的几个量子比特设备发展到具有超过一百万个量子比特的硅量子处理器，可以说是一种飞跃性的进展。

（来源：新南威尔士大学）

寻找量子计算架构中“缺失的拼图”

如果你看过量子计算机的图片，就会发现它们往往是像冰箱一样大小的迷宫式机器，里面还带有大量复杂的控制系统和冷却系统。

当前，大多数量子计算机都要给处理器上的所有量子比特都设置一条控制线，以便通过高频振荡信号、来改变量子比特的自旋状态或数据状态。

其中，实现自旋量子比特全局控制的一种方法是，将芯片放置在传统的三维微波腔内，并且每根控制线都必须伸入到计算机的过冷内部。而这些控制线会产生额外热量，这位导致量子比特的物理尺寸变大，同时也会导致量子计算机的能力受限。

（来源：新南威尔士大学）

研究人员评价称：“微波腔不太喜欢电路的存在，电路也不喜欢微波腔的存在。”理论上，一个破坏性较小的微波源，能控制整个处理器中的所有量子比特，该团队也在实践中证明了这一点，即并非直接向每个量子比特发送信号，而是让量子比特与单一信号发生共振或脱离共振。

值得注意的是，改变共振所需的设备已存在于量子比特的逻辑组件中，因此该方法会让处理器变得更复杂。该团队表示，当前的量子计算机往往是“完全混乱的布线和各种控制系统”，但此次新技术能大大简化它们。

目前，像谷歌“悬铃木”（Sycamore ）这样的尖端量子计算机只有几十个量子位，但真正可投入应用的量子计算机，可能需要数千或数百万个量子比特。

将原型谐振器技术集成在量子比特芯片上

在此之前，科学家们仅通过对少数量子比特的控制，来研究量子处理器的概念验证模型。而控制电子自旋量子比特，也主要依赖于将电流通过量子比特旁边的电线来传递微波磁场。

（来源：新南威尔士大学）

如果让量子计算机强大到能解决全球重大问题，比如新疫苗的设计，那么就需要数百万个量子比特。

这里面的挑战非常大：首先，磁场随着距离的下降非常快，所以只能控制最靠近导线的量子比特。因此，当引入越来越多的量子比特，就需要添加越来越多的电线，而这将占用芯片上的大量空间。

此外，传统计算机将信息存储为 0 或 1。但在量子计算机中，量子比特同时是两个数字的叠加状态，这种叠加能力意味着量子计算机具有同时执行多项计算的能力。为了保持它们的量子能力，量子比特可能需要在极低温环境中运行。

因此相关芯片必须在低于 -270°C 的极冷温度下运行，而引入更多导线会在芯片中产生过多热量，这会让量子比特的可靠性受到损失。那么，这时就只能回到使用线技术来控制量子比特的方法。

而该团队此次提出的解决方案，是对硅芯片结构的重新构想。他们并没有在包含数百万量子比特的硅芯片上去设置数千条控制线，而是研究了从芯片上方产生磁场的可行性，并发现该磁场可同时操纵所有量子比特。

（来源：新南威尔士大学）

这种同时控制所有量子比特的想法，最早于 20 世纪 90 年代提出，但直到本次论文发表，此前也没有诞生出可行性方法。

而在该研究中，研究人员先是移除了量子比特旁边的电线，然后设计一种在整个系统中传递微波频率磁控制场的新方法。他们发现，谐振器产生的场可控制一个能容纳 400 万个量子比特的区域。此外，产生磁场所需的能量也相对较少，这基本上意味着产生的热量很少。

该团队还在硅芯片上方引入了一个新组件，组件名字叫介电谐振器的晶体棱镜。当微波进入谐振器时，它会将微波的波长聚焦到更小的尺寸。如此，就能在所有量子比特中，把微波功率有效转换为控制自旋的磁场。

图 | 介质谐振器（来源：新南威尔士大学）

而介电谐振器可将波长缩小到 1 毫米以下，这时就能把微波功率转换为控制所有量子比特自旋的磁场。

这里有两个关键创新：其一，无需给量子比特提供强大的驱动场，因此不会产生太多热量；其二，整个芯片的磁场非常均匀，因此数百万个量子比特都得到了相同级别的控制。

尽管该团队开发了原型谐振器技术，但由于没有硅量子比特来做测试，为此他们找到该校另一支团队——由安德鲁·祖拉克（AndrewDzurak）教授带领的量子研究团队。

随后，两支团队开始合作研究，他们把将本次研发的原型谐振器技术集成在量子比特芯片上，并取得了成功。

图 | 此次新南威尔士大学团队的成员：安德鲁·祖拉克（Andrew Dzurak）和贾里德·普拉（Jarryd Pla）

可解决实际商业问题的量子计算机，有望更早诞生

研究人员告诉媒体：“当实验证明成功时，我们欣喜若狂。如何控制数百万个量子比特的问题困扰了我很长时间，因为它是构建全尺寸量子计算机的主要障碍。”

具有百万量子比特控制能力，就可以使用量子计算机来解决实际问题，比如新疫苗的设计，而不仅限于量子优越性的演示和证明了。另外，该技术中仅使用单个微波源，就能够同时向数百万个量子比特提供控制信号。”

事实上，新南威尔士大学团队在量子研究上已积累了一定成果。2020 年 4 月，由安德鲁·祖拉克（Andrew Dzurak）领导的团队发布了一个概念验证型量子处理器单元，它能让量子计算机以 1.5 的速度工作，这比此前量子处理器可工作的温度高出 15 倍，而通常量子计算机需要在比绝对零高几分之一度下运行，因此这能让研究人员无需再购买数百万美元的制冷设备。

另据悉，安德鲁还是 Qucor Pty Ltd 公司的董事，该公司旨在将相关研究商业化。未来，该团队将使用此次成果，来简化硅量子处理器的设计。

具体来说，通过移除片上控制线，就能给额外量子比特、以及构建量子处理器所需的其他电子设备腾出空间，也会让生产具有数十个量子比特设备的任务变得更简单。

而本次成果的实现，放在 20 世纪 80 年代还只是一个梦想。同时，也意味着未来十年内，有望诞生使用数千个量子比特来解决实际商业问题的量子计算机，比如，药物和疫苗设计、代码解密、人工智能和气候变化等，都有望是量子计算技术的受益领域。

军事科学院国防科技创新研究院研究员强晓刚告诉 DeepTech：“这项研究展示了一种面向电子自旋量子比特的新型操控方法，有望实现规模化的电子自旋量子比特操控。随着量子比特可操控规模的增长，量子系统的计算能力也将快速增长，在量子模拟和优化等问题中，将逐渐显现超越经典的计算能力，从而在新型材料辅助设计、药物研发、组合优化等应用领域有望发挥重要作用。”