當?shù)貢r間 8 月 13 日，相關(guān)論文以《使用全局場的納米電子器件中的單電子自旋共振》（Single-electronspin resonance in a nanoelectronic device using a global field）為題，發(fā)表在 ScienceAdvances 上。另據(jù)悉，此次研究由該校電氣工程與電信學院高級研究員賈里德·普拉（Jarryd Pla）負責。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science Advances）

上海交大量子信息專業(yè)博士喬璐楓告訴 DeepTech：“大規(guī)模量子比特的控制能力對于實現(xiàn)量子計算機至關(guān)重要。量子計算機在許多重要問題上，如量子模擬（幫助材料和藥物開發(fā)）和優(yōu)化，都顯著優(yōu)于經(jīng)典的同類計算機。然而對于一個用于解決實際問題的大規(guī)模和完全容錯的量子計算機，可能需要超過 100 萬量子比特。這項工作將之前的幾個量子比特設備發(fā)展到具有超過一百萬個量子比特的硅量子處理器，可以說是一種飛躍性的進展。

（來源：新南威爾士大學）

尋找量子計算架構(gòu)中“缺失的拼圖”

如果你看過量子計算機的圖片，就會發(fā)現(xiàn)它們往往是像冰箱一樣大小的迷宮式機器，里面還帶有大量復雜的控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

當前，大多數(shù)量子計算機都要給處理器上的所有量子比特都設置一條控制線，以便通過高頻振蕩信號、來改變量子比特的自旋狀態(tài)或數(shù)據(jù)狀態(tài)。

其中，實現(xiàn)自旋量子比特全局控制的一種方法是，將芯片放置在傳統(tǒng)的三維微波腔內(nèi)，并且每根控制線都必須伸入到計算機的過冷內(nèi)部。而這些控制線會產(chǎn)生額外熱量，這位導致量子比特的物理尺寸變大，同時也會導致量子計算機的能力受限。

（來源：新南威爾士大學）

研究人員評價稱：“微波腔不太喜歡電路的存在，電路也不喜歡微波腔的存在。”理論上，一個破壞性較小的微波源，能控制整個處理器中的所有量子比特，該團隊也在實踐中證明了這一點，即并非直接向每個量子比特發(fā)送信號，而是讓量子比特與單一信號發(fā)生共振或脫離共振。

值得注意的是，改變共振所需的設備已存在于量子比特的邏輯組件中，因此該方法會讓處理器變得更復雜。該團隊表示，當前的量子計算機往往是“完全混亂的布線和各種控制系統(tǒng)”，但此次新技術(shù)能大大簡化它們。

目前，像谷歌“懸鈴木”（Sycamore ）這樣的尖端量子計算機只有幾十個量子位，但真正可投入應用的量子計算機，可能需要數(shù)千或數(shù)百萬個量子比特。

將原型諧振器技術(shù)集成在量子比特芯片上

在此之前，科學家們僅通過對少數(shù)量子比特的控制，來研究量子處理器的概念驗證模型。而控制電子自旋量子比特，也主要依賴于將電流通過量子比特旁邊的電線來傳遞微波磁場。

（來源：新南威爾士大學）

如果讓量子計算機強大到能解決全球重大問題，比如新疫苗的設計，那么就需要數(shù)百萬個量子比特。

這里面的挑戰(zhàn)非常大：首先，磁場隨著距離的下降非?？?，所以只能控制最靠近導線的量子比特。因此，當引入越來越多的量子比特，就需要添加越來越多的電線，而這將占用芯片上的大量空間。

此外，傳統(tǒng)計算機將信息存儲為 0 或 1。但在量子計算機中，量子比特同時是兩個數(shù)字的疊加狀態(tài)，這種疊加能力意味著量子計算機具有同時執(zhí)行多項計算的能力。為了保持它們的量子能力，量子比特可能需要在極低溫環(huán)境中運行。

因此相關(guān)芯片必須在低于 -270°C 的極冷溫度下運行，而引入更多導線會在芯片中產(chǎn)生過多熱量，這會讓量子比特的可靠性受到損失。那么，這時就只能回到使用線技術(shù)來控制量子比特的方法。

而該團隊此次提出的解決方案，是對硅芯片結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)想。他們并沒有在包含數(shù)百萬量子比特的硅芯片上去設置數(shù)千條控制線，而是研究了從芯片上方產(chǎn)生磁場的可行性，并發(fā)現(xiàn)該磁場可同時操縱所有量子比特。

（來源：新南威爾士大學）

這種同時控制所有量子比特的想法，最早于 20 世紀 90 年代提出，但直到本次論文發(fā)表，此前也沒有誕生出可行性方法。

而在該研究中，研究人員先是移除了量子比特旁邊的電線，然后設計一種在整個系統(tǒng)中傳遞微波頻率磁控制場的新方法。他們發(fā)現(xiàn)，諧振器產(chǎn)生的場可控制一個能容納 400 萬個量子比特的區(qū)域。此外，產(chǎn)生磁場所需的能量也相對較少，這基本上意味著產(chǎn)生的熱量很少。

該團隊還在硅芯片上方引入了一個新組件，組件名字叫介電諧振器的晶體棱鏡。當微波進入諧振器時，它會將微波的波長聚焦到更小的尺寸。如此，就能在所有量子比特中，把微波功率有效轉(zhuǎn)換為控制自旋的磁場。

圖 | 介質(zhì)諧振器（來源：新南威爾士大學）

而介電諧振器可將波長縮小到 1 毫米以下，這時就能把微波功率轉(zhuǎn)換為控制所有量子比特自旋的磁場。

這里有兩個關(guān)鍵創(chuàng)新：其一，無需給量子比特提供強大的驅(qū)動場，因此不會產(chǎn)生太多熱量；其二，整個芯片的磁場非常均勻，因此數(shù)百萬個量子比特都得到了相同級別的控制。

盡管該團隊開發(fā)了原型諧振器技術(shù)，但由于沒有硅量子比特來做測試，為此他們找到該校另一支團隊——由安德魯·祖拉克（AndrewDzurak）教授帶領(lǐng)的量子研究團隊。

隨后，兩支團隊開始合作研究，他們把將本次研發(fā)的原型諧振器技術(shù)集成在量子比特芯片上，并取得了成功。

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圖 | 此次新南威爾士大學團隊的成員：安德魯·祖拉克（Andrew Dzurak）和賈里德·普拉（Jarryd Pla）

可解決實際商業(yè)問題的量子計算機，有望更早誕生

研究人員告訴媒體：“當實驗證明成功時，我們欣喜若狂。如何控制數(shù)百萬個量子比特的問題困擾了我很長時間，因為它是構(gòu)建全尺寸量子計算機的主要障礙。”

具有百萬量子比特控制能力，就可以使用量子計算機來解決實際問題，比如新疫苗的設計，而不僅限于量子優(yōu)越性的演示和證明了。另外，該技術(shù)中僅使用單個微波源，就能夠同時向數(shù)百萬個量子比特提供控制信號。”

事實上，新南威爾士大學團隊在量子研究上已積累了一定成果。2020 年 4 月，由安德魯·祖拉克（Andrew Dzurak）領(lǐng)導的團隊發(fā)布了一個概念驗證型量子處理器單元，它能讓量子計算機以 1.5 的速度工作，這比此前量子處理器可工作的溫度高出 15 倍，而通常量子計算機需要在比絕對零高幾分之一度下運行，因此這能讓研究人員無需再購買數(shù)百萬美元的制冷設備。

另據(jù)悉，安德魯還是 Qucor Pty Ltd 公司的董事，該公司旨在將相關(guān)研究商業(yè)化。未來，該團隊將使用此次成果，來簡化硅量子處理器的設計。

具體來說，通過移除片上控制線，就能給額外量子比特、以及構(gòu)建量子處理器所需的其他電子設備騰出空間，也會讓生產(chǎn)具有數(shù)十個量子比特設備的任務變得更簡單。

而本次成果的實現(xiàn)，放在 20 世紀 80 年代還只是一個夢想。同時，也意味著未來十年內(nèi)，有望誕生使用數(shù)千個量子比特來解決實際商業(yè)問題的量子計算機，比如，藥物和疫苗設計、代碼解密、人工智能和氣候變化等，都有望是量子計算技術(shù)的受益領(lǐng)域。

軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院研究員強曉剛告訴 DeepTech：“這項研究展示了一種面向電子自旋量子比特的新型操控方法，有望實現(xiàn)規(guī)?；碾娮幼孕孔颖忍夭倏?。隨著量子比特可操控規(guī)模的增長，量子系統(tǒng)的計算能力也將快速增長，在量子模擬和優(yōu)化等問題中，將逐漸顯現(xiàn)超越經(jīng)典的計算能力，從而在新型材料輔助設計、藥物研發(fā)、組合優(yōu)化等應用領(lǐng)域有望發(fā)揮重要作用。”

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