在為超越半導(dǎo)體的物理限制而開發(fā)的大量替代計(jì)算方法中，量子計(jì)算仍然是一個(gè)突出的研究領(lǐng)域，頂尖大學(xué)和大型科技公司都在致力于實(shí)現(xiàn)該技術(shù)所承諾的能力和性能實(shí)現(xiàn)。

在本文中，我們將研究來自著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的三篇科學(xué)論文。這些論文的共同點(diǎn)是克服這些問題并進(jìn)一步擴(kuò)展量子處理器的目標(biāo)。

傳輸半導(dǎo)體量子比特

亞琛工業(yè)大學(xué)和德國Jülich 研究所的物理學(xué)家致力于研究一種增加量子處理器內(nèi)量子比特?cái)?shù)量的新方法，并于2022年 9 月發(fā)表了他們關(guān)于開發(fā)量子信息攜帶粒子的穩(wěn)定傳輸過程的發(fā)現(xiàn)。

這里展示的是帶有量子總線的半導(dǎo)體量子芯片，這是 Jülich 研究所和亞琛工業(yè)大學(xué) JARA 合作的成果。

使用硅和鍺自旋量子位（基于電子和電子空穴自旋的量子位），由Lars Scheiber 博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)造出一種“量子總線”，能夠在 560 nm 的距離內(nèi)傳輸電子 5,000 次而不會(huì)遇到任何重大錯(cuò)誤。

與其他需要精確的信號(hào)調(diào)整和復(fù)雜的控制電子的引導(dǎo)電子的方法相反，亞琛工業(yè)大學(xué)和尤利希團(tuán)隊(duì)提出的方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單得多的系統(tǒng)，只使用四個(gè)正弦波作為控制信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)波，根據(jù)科學(xué)家的說法，電子可以簡單地“越過”干擾。

雖然減少干擾解決了量子計(jì)算中最大的挑戰(zhàn)之一，但Scheiber博士的團(tuán)隊(duì)尚未在實(shí)踐中證明，他們的量子比特在傳輸后仍能保留電子自旋編碼的數(shù)據(jù)，但他們的理論計(jì)算證明，在特定的電子速度范圍內(nèi)使用硅是可能的。

作為歐洲 QuantERA 聯(lián)盟的一部分，“量子總線”目前是十多項(xiàng)已申請(qǐng)專利的基礎(chǔ)，顯示出可喜的成果，因?yàn)樗赡苁且淮芜B接和控制數(shù)百萬量子比特的關(guān)鍵，而不需要目前量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所依賴的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施。 

增加互連自旋量子位的數(shù)量

早在 去年9 月，代爾夫特理工大學(xué)量子計(jì)算研究所 QuTech 的一組科學(xué)家就宣布了他們?cè)陂_發(fā)一種用于縮放量子處理器的新型硅基方法方面的發(fā)現(xiàn)。

由Lieven Vandersypen 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用間隔 90 納米的電子基量子點(diǎn)陣列創(chuàng)建了一個(gè)六自旋量子比特硅芯片，形成了非常類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管的形狀。

六量子比特量子處理器的圖像。量子比特是通過調(diào)整芯片上紅色、藍(lán)色和綠色電線上的電壓來創(chuàng)建的。圖片由QuTech提供

根據(jù)該研究論文，這種結(jié)構(gòu)可以使用微調(diào)的微波輻射、磁場(chǎng)和電勢(shì)來控制，以在單個(gè)量子位上讀取和寫入信息，并使它們相互作用并創(chuàng)建量子邏輯門和兩個(gè)糾纏系統(tǒng)或每個(gè)三個(gè)電子。

通過這樣做，Lieven Vandersypen 教授的芯片在通用操作、狀態(tài)準(zhǔn)備和量子位測(cè)量方面實(shí)現(xiàn)了可觀的保真度，同時(shí)與其他架構(gòu)相比降低了錯(cuò)誤率，這是朝著創(chuàng)建基于硅的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)邁出的寶貴一步。

這項(xiàng)研究與其他研究的不同之處在于，QuTech 團(tuán)隊(duì)能夠在使用熟悉的半導(dǎo)體制造方法生產(chǎn)的芯片上增加量子比特?cái)?shù)的同時(shí)保持精度，這與需要復(fù)雜得多的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)相反。

擴(kuò)展受量子啟發(fā)的處理器

該領(lǐng)域的另一項(xiàng)突破來自東京理科大學(xué) (TUS)。由Takayuki Kawahara 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正在研究一種新方法，該方法于 去年9 月宣布，旨在開發(fā)一種可擴(kuò)展且完全耦合的量子啟發(fā)設(shè)備。這種設(shè)備簡稱為退火處理器或退火機(jī)。

雖然退火機(jī)不一定能利用粒子的量子特性，但通過模擬Ising模型的行為(換句話說，描述相互作用的磁鐵的自旋)，它能夠有效地解決投資組合、物流和交通流優(yōu)化等問題。

Kawahara教授的架構(gòu)采用28納米CMOS邏輯(模擬退火而不是量子退火，如D-Wave的量子退火器研究)開發(fā)，并具有512個(gè)全耦合自旋，于2020年在IEEE SAMI會(huì)議上首次提出，盡管當(dāng)時(shí)這個(gè)設(shè)計(jì)由于各個(gè)旋轉(zhuǎn)之間的互連數(shù)量，難以擴(kuò)展。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新方法，將系統(tǒng)能量狀態(tài)的計(jì)算分配給多個(gè)芯片陣列，然后由控制芯片收集，形成最終能量結(jié)果，用于更新模擬自旋的值。

TUS 研究人員提出了一種完全連接的可擴(kuò)展退火處理器。該方法使用由多個(gè)耦合芯片和一個(gè)控制芯片組成的陣列計(jì)算器。圖片由東京理科大學(xué)提供

這使得該研究小組能夠開發(fā)出該系統(tǒng)的新版本，即384個(gè)自旋的FPGA實(shí)現(xiàn)，根據(jù)他們的測(cè)試，與CPU模擬相比，該系統(tǒng)能夠以584倍的速度解決優(yōu)化問題，并且能效提高46倍。

Kawahara 教授希望進(jìn)一步研究并創(chuàng)建定制LSI芯片，以提高其方法的容量、性能和效率，希望改進(jìn)需要解決復(fù)雜優(yōu)化問題的領(lǐng)域，例如藥物研究和材料科學(xué)。

這一切對(duì)未來意味著什么？

顯然，2022 年為量子計(jì)算帶來了積極而充滿希望的音符。雖然開發(fā)具有數(shù)百萬而不是少數(shù)量子比特的量子處理器還有很長的路要走，但本文涵蓋的研究為解決困擾該領(lǐng)域的一些最大挑戰(zhàn)的新想法鋪平了道路。

研究電子傳輸、開發(fā)容錯(cuò)自旋量子比特系統(tǒng)以及通過使用傳統(tǒng)電子學(xué)模擬量子結(jié)構(gòu)，可能是繞過量子力學(xué)定律所提出的限制的關(guān)鍵，并將量子計(jì)算機(jī)帶出實(shí)驗(yàn)室，帶入現(xiàn)實(shí)世界，解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界問題。

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