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兩比特量子門(mén)（圖片來(lái)源：新南威爾士大學(xué)）

　　日前，澳大利亞新南威爾士大學(xué)量子物理學(xué)教授米歇爾·西蒙斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)取得了量子計(jì)算領(lǐng)域的新突破。

　　量子計(jì)算機(jī)是利用量子相干疊加原理進(jìn)行高速運(yùn)算、存儲(chǔ)和處理信息，具有超快的并行計(jì)算和模擬能力的計(jì)算機(jī)。它將信息存儲(chǔ)在量子比特中。量子比特門(mén)是量子計(jì)算機(jī)的邏輯門(mén)。

　　西蒙斯團(tuán)隊(duì)使用掃描隧道顯微鏡，在天然硅材料里放置兩個(gè)磷原子。這一納米級(jí)別精度的操作，讓磷原子形成勢(shì)阱囚禁電子，通過(guò)控制電子的相互作用創(chuàng)建了首個(gè)硅基磷原子的兩比特量子門(mén)。這個(gè)兩比特量子門(mén)能在 0.8 納秒內(nèi)完成運(yùn)算操作，比目前其他基于硅的兩比特量子門(mén)操作快 200 倍。

　　這項(xiàng)研究的論文于近期發(fā)表在《自然》雜志上。這項(xiàng)里程碑式的成果滿(mǎn)足了該體系量子計(jì)算的五大判決要求（Di Vincenzo's criteria）的最后一條，結(jié)合之前的成果，基于硅的磷原子量子計(jì)算體系達(dá)成可擴(kuò)展的量子計(jì)算從原理上成為現(xiàn)實(shí)。

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　　研究團(tuán)隊(duì)如上圖。左起：米歇爾·西蒙斯（團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)和中心主任）、山姆·戈?duì)柭┦浚?lián)合第一作者）、賀煜博士（聯(lián)合第一作者）、盧德維克·克蘭克、喬里斯·凱澤博士和丹尼爾·基思。（來(lái)源：afr.com）

　　硅基磷原子量子兩比特門(mén)

　　判斷一個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算包含的五大判決要求包括：

1. 物理系統(tǒng)可擴(kuò)展且系統(tǒng)中的量子比特具有良好性能；
2. 將量子比特的狀態(tài)初始化為簡(jiǎn)單基態(tài)的能力；
3. 去相干時(shí)間長(zhǎng)；
4. 一組“通用”量子比特門(mén)（包含單比特量子門(mén)和兩比特量子門(mén)）；
5. 一種基于量子比特的測(cè)量能力。

　　“我們以硅為載體的磷原子體系此前已經(jīng)證明了1、2、3、5，此次研究實(shí)際上是把 4 的兩比特量子門(mén)證明了，”論文聯(lián)合第一作者賀煜告訴《環(huán)球科學(xué)》，“該結(jié)果說(shuō)明，從理論上說(shuō)，這個(gè)體系想要做可拓展量子計(jì)算是沒(méi)有問(wèn)題的。”（“可擴(kuò)展的量子計(jì)算”指能夠?qū)崿F(xiàn)的量子比特?cái)?shù)量要具有一定的規(guī)模——擁有幾百到上千個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)才真正具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)優(yōu)越的性能，其中所有的量子比特之間應(yīng)當(dāng)能夠互相分辨，單獨(dú)操作，以及從整體上完全掌控它們的行為。）

　　他們的芯片利用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行加工。操作過(guò)程是：通過(guò)單個(gè)原子或一個(gè)原子團(tuán)簇的擺放形成一個(gè)量子點(diǎn)，一個(gè)量子點(diǎn)自帶勢(shì)阱，勢(shì)阱可以囚禁住電子，然后在電子上進(jìn)行量子操作，電子的自旋則攜帶有量子比特信息。

實(shí)驗(yàn)裝置圖（來(lái)源：研究論文）

　　此前，理論研究已經(jīng)證明，以硅為載體的磷電子自旋之間的交換作用，有望使雙量子比特門(mén)實(shí)現(xiàn)快速(千兆赫茲)門(mén)運(yùn)算。

　　然而，實(shí)現(xiàn)磷原子兩個(gè)電子之間的量子比特門(mén)所需的交換關(guān)系（打開(kāi)或關(guān)閉），直到現(xiàn)在才成為可能。這是因?yàn)榇饲霸谡{(diào)整原子電路以獲得高保真度、獨(dú)立的自旋讀數(shù)時(shí)，很難確定交換作用打開(kāi)或關(guān)閉所需的原子距離。

　　西蒙斯團(tuán)隊(duì)解決了這一問(wèn)題。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子距離縮短至 13 納米時(shí)，量子門(mén)交換作用的打開(kāi)或關(guān)閉能順利進(jìn)行。（原子距離遠(yuǎn)，交換門(mén)不易打開(kāi)；原子距離近，交換門(mén)不易關(guān)閉）。

　　“我們直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)（而非理論建模）來(lái)確認(rèn)電路中量子比特的位置，”西蒙斯說(shuō)，“讓量子芯片自己來(lái)幫助構(gòu)建它自己。”

　　目前，新南威爾士大學(xué)的雙原子量子比特門(mén)可在 0.8 納秒內(nèi)完成一次操作，比其他基于硅的量子門(mén)（在硅上加電極形成的量子門(mén)）快 200 倍。但西蒙斯教授表示，她不會(huì)急于將其構(gòu)建成集成電路。

　　2018 年 3 月，新南威爾士州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室證明，量子比特可以通過(guò)電子自旋的經(jīng)典關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單的“交談”，即電子之間可以存在關(guān)聯(lián)。而目前報(bào)道的成果則這是科學(xué)家們第一次將兩個(gè)原子量子比特糾纏在一起，并設(shè)法在它們之間交換信息。

　　新南威爾士大學(xué)研究小組說(shuō)，三個(gè)或四個(gè)糾纏的量子比特可以執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的算法。西蒙斯團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是在 5 年內(nèi)構(gòu)建 10 比特的量子集成電路，并希望在 10 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

　　為什么選擇硅材料？

　　量子計(jì)算門(mén)派眾多，包括超導(dǎo)體量子計(jì)算，半導(dǎo)體量子計(jì)算，光量子計(jì)算等。

　　2018 年 1 月，英特爾推出了名為 Tangle Lake 的 49 量子比特測(cè)試芯片；兩個(gè)月后，谷歌推出了名為 Bristlestone 的 72 量子比特處理器。

　　它們使用的是以超導(dǎo)電路作為量子計(jì)算處理器的基礎(chǔ)。超導(dǎo)材料中也能發(fā)生量子現(xiàn)象。例如，當(dāng)超導(dǎo)材料中的電子同時(shí)進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針的移動(dòng)，這就是量子現(xiàn)象。超導(dǎo)量子芯片前景很大，但是電路設(shè)計(jì)難度隨著比特?cái)?shù)增多而增大。

　　以半導(dǎo)體硅為載體的量子計(jì)算在國(guó)際上也有幾條不同的路線。西蒙斯利用硅中雜質(zhì)磷原子做量子計(jì)算。另一種是在硅樣品上加各種電極，然后通過(guò)電極形成勢(shì)阱，利用勢(shì)阱囚禁電子作為量子計(jì)算的比特。這個(gè)方向上的兩比特門(mén)和單比特門(mén)已得到證明，但它對(duì)電極的密度要求非常高，因?yàn)橐粋€(gè)比特需要2－3 個(gè)電極，所以電極會(huì)排的非常密。

　　但西蒙斯表示，她的實(shí)驗(yàn)室在硅基使用基于原子的量子比特的方法，最終將超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

　　西蒙斯說(shuō)，基于硅的量子比特更受歡迎，因?yàn)?strong>它們具有最長(zhǎng)的相干時(shí)間和最高的保真度（分別衡量量子比特保持量子態(tài)的時(shí)間和交換信息的準(zhǔn)確性）。

　　西蒙斯團(tuán)隊(duì)最新方案的量子比特保真度達(dá) 94%。未來(lái)，他們將通過(guò)降低電荷噪聲，降低電子溫度，用純凈同位素 28 硅代替自然硅等方式繼續(xù)提升保真度。

　　西蒙斯說(shuō)，這項(xiàng)成就是科學(xué)家們 20 年努力的結(jié)晶，這些努力將推動(dòng)科學(xué)家們朝著“可擴(kuò)展性的硅量子計(jì)算機(jī)”的目標(biāo)邁進(jìn)。

　　量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)

　　評(píng)估量子計(jì)算成功有兩種常見(jiàn)的度量標(biāo)準(zhǔn)。第一種是制造一臺(tái)性能超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的機(jī)器，從而實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。另一種是開(kāi)發(fā)具有可行商業(yè)應(yīng)用程序的處理器。前者需要大約 50 個(gè)量子比特，后者需要的量子比特更少。

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管，其值為 0 或1。但量子計(jì)算機(jī)可以制備兩個(gè)邏輯態(tài) 0 和 1 的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時(shí)存儲(chǔ) 0 和1。

　　由于能同時(shí)存在兩種狀態(tài)，量子比特能比比特更快地解決問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)理論上可以徹底改變?nèi)魏我蕾?lài)于繁重計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的行業(yè)。

　　這可能意味著更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)、更有效的通勤時(shí)間、更安全的航空系統(tǒng)、更好地識(shí)別行星和生命、更智能的自動(dòng)駕駛汽車(chē)、更好的藥物治療和超個(gè)性化的營(yíng)銷(xiāo)。

　　昆士蘭大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院教授湯姆·斯塔斯說(shuō)，量子物理學(xué)已經(jīng)從一個(gè)幾乎完全以大學(xué)為中心、只做研究的領(lǐng)域成長(zhǎng)為一個(gè)蓬勃發(fā)展的商業(yè)產(chǎn)業(yè)。

　　他表示:“這個(gè)產(chǎn)業(yè)正在爆炸式增長(zhǎng)，全球還缺少大約 2 萬(wàn)名量子專(zhuān)家。量子技術(shù)正在密碼學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)化學(xué)模擬以及提升傳感器測(cè)量精確等方向?qū)ふ覒?yīng)用。”