前沿｜硅量子计算机在澳大利亚成形

引言：来自澳大利亚的一个研究团队展示了一个在单个原子上实现量子位（qubit）的系统，该团队的硅量子位所能维持的量子状态时间几乎是另一个备选方案——超导电路系统——所能维持时间的一百万倍。

新南威尔士大学用来冷却硅量子芯片的冰箱

硅是价值数十亿美元的计算产业的核心。现在，多亏了一个澳大利亚合作团队的优雅设计，利用该元素制作量子处理器的元件的工作正在起飞。

今年七月，位于悉尼新南威尔士大学（UNSW）的量子计算和通信技术中心就将收到一笔 4600 万澳元（约合3300 万美元）投资的第一部分，这笔投资来自想要开发实用量子计算机的政府和产业界。

5 月 6 日，在一个由《自然》杂志和创业公司加速器 Entrepreneur First 于伦敦联合主办的创新论坛上，两位来自 UNSW 的一个研究团队的物理学家给出了一个实现那一目标的计划。他们的观众评审席上全都是企业家和科学家，这些人在现场探讨评价了一系列量子技术的商业化想法，其中包括：传感器、计算机安全、量子互联网以及量子计算机。

到目前为止，这个 UNSW 团队已经展示了一个仅在单个原子上实现量子位（qubit）的系统。而有用的计算需要多个在原子中互相连接的量子位。但该团队的硅量子位所能维持的量子状态时间几乎是另一个备选方案——超导电路系统——所能维持时间的一百万倍，UNSW 物理学家 Guilherme Tosi对与会者解释说。这可帮助硅量子位在计算过程中的错误率降至超导电路的六分之一。

谷歌工程总监兼该会议评审员 Hartmut Neven 说，如果该团队能在更大的系统中实现这样的低错误率，那将是「相当惊人的」。但他对性能方面的问题给出了提醒：该系统的性能远远落后于其它系统。该团队的目标是在五年内实现 10 个量子位，但谷歌和 IBM 已经通过超导系统接近了这一目标。而且谷歌计划在五年内上升到数百个量子位。

另一个来自 UNSW 团队的设计没有那么稳健，但其已经实现了连接两个量子位的计算，这种构造模块为开发更复杂设备铺平了道路。

在普通的计算机中，每一个位（bit）要么是「开」要么是「关」。而在量子计算机中，量子位可以同时处于开和关两种状态，这让它们可以并行执行很多计算。这应该可以让量子计算机完成对普通计算机来说需要超过宇宙年龄的时间才能完成的计算，尽管目前最好的量子设备还是太小，无法做到这一点。

对于通用型量子计算机（可以执行任何量子算法）来说，硅是一种很有吸引力的基础材料，因为其潜在地能与目前计算机的微电子器件兼容，但硅系统仍落后于其对手很多年。如何保证微妙的量子状态持续足够长时间以执行计算一直都是一个难题。

Tosi 及其同事（他们都是 UNSW Andrea Morello 实验室的成员）在这次创新论坛上所展示的方案解决了这一难题。其量子位被嵌入到硅晶格中的磷原子的电子和原子核进行自旋，并使用了一种特殊的电场系统进行控制。因为该设计中的自旋只会响应非常特定的可调谐频率，所以它们是稳健的，能够应付电噪声。Tosi 说，这让该量子位能够维持一分钟的量子状态时间，并在 99.9% 的时间中都完美运行。

此外，这种电控量子位之间彼此通信的距离比其它硅设计中的量子位更长。这预示着可以实现很好的扩展，因为该量子位可以分隔得足够远，从而为安置于它们之间的控制和读取仪器留出了空间。Tosi 补充说，该设计中的原子也不需要精确的安置位置，因此它们可以使用现有的微处理器制造技术。

Andrew Dzurak (左) 和 Andrea Morello 分别领导着使用硅开发量子处理器的团队

尽管 Morello 的团队仅展示了在单个原子上实现的高精度，但研究者已经开始实验双原子系统了，并预计能够实现这种水平性能的扩展。Tosi 说：「从那开始，已不再有基本第一原则的障碍。」

他已经为一种更大规模的计算机的设计申请了专利，并表示使用类似于现有的生产当前微处理器的工厂就应该可以制造使用他们的系统的芯片。

自旋城市

UNSW 的另一个硅项目的负责人是物理学家 Andrew Dzurak，该项目使用基于定制的电晶体管设置中的电子自旋作为其量子位。尽管该量子位没有 Morello 设计中的量子位那么稳健，但 Dzurak 的团队去年十月已经实现了两个量子位的计算。

在伦敦的这场会议上，Tosi 和 Schmitt 在 Morello 团队的计划上遭到了「拷问」。伦敦大学学院的电气工程师 John Morton 说：“这是一个美丽的方案。”但他提醒说因为该会议对超导量子位的信赖，在这个二人组作为该会议部分内容所展示的商业模式方面并没有任何好转。Morton 说：“这是件冒险的事。” Neven 也同意这个说法，并指出如果硅量子位想在未来的量子计算市场中站稳脚跟，它就必须证明自己在其它方面的优势。

和超导量子位一样，硅量子位也必须处于绝对零度以上很低的温度。Morton 说 Morello 设计的一大优势是：它是原子级的。在原理上，这可让每块芯片上的量子位数量远比超导量子位（大约直径 100 微米）芯片的多。Neven 说，为了抓住这个机会，该设计需要摆脱用作远距离量子位之间操作手段的笨重的微波器件。

这个由 UNSW 物理学家 MichelleSimmons 所领导的澳大利亚量子中心成功的部分原因是其在纳米级硅制造上的更广泛的专业知识，伦敦帝国学院物理学家兼该会议评审员 Peter Knight 说，当涉及到制造时，该中心遥遥领先于其它硅方面的工作。

本文选自 Nature，作者：Elizabeth Gibney；机器之心编译，参与：吴攀、盛威