大自然罕见地同时发布两个“相似” 的量子结果，真相是“真的很甜蜜”
发表在《自然4月16日》杂志上的一项研究证明了一种量子计算平台，该平台可以在当前技术性能 (0.1K) 的15倍温度 (1.5K) 下运行。尽管温度上升似乎并不高，但该研究提出的 “热量子位” 方案将为工程带来便利，并可能改变量子计算的发展。
《中国科学报》随即连接了这篇论文 -- “硅基量子芯片在1K以上温度下的一种运行模式” (硅量子处理器单元在一个开尔文之上的操作) 杨志焕 (C. H. Yang)。他是澳大利亚新南威尔士大学电气工程与电信学院的量子实验科学家和工程师。
杨智焕 (左) 和安德鲁·德祖拉克 (右) 致词: 保罗·亨德森-凯利
从0.1K到1.5K
杨志焕提供给记者的一份解读材料显示，目前世界上大多数正在开发的量子计算机只能在绝对零度的零头内工作。主要原因是每个加入系统的量子位都会产生热量，热量的增加会干扰量子系统，导致系统不稳定。
通常，固态 (例如超导或半导体电路) 平台需要在约0.1K(-273.05 °C) 的温度下运行，这需要数百万美元来开发接近极限的制冷技术-即使这样，在它们被插入常规电路后，它们会因过热而立即停止运行。
杨志焕和安德鲁·德祖拉克教授提供了一种可行的 “热量子位” 方案来解决这一问题，并在论文中进行了验证。
“我们使用硅基MOS (金属-氧化物-半导体) 量子点 -- 这是当今大多数芯片的技术 -- 材料选择中使用的硅-28同位素，这是一种很好的无自旋材料，可以使电子的自旋存活更长时间。”杨志焕告诉《中国科学报》: “能否提高平台的温度主要取决于我们读取电子自旋方式的变化。”
,他告诉《中国科学报》记者，电子自旋以前是通过将电子隧穿到二维电子气 (2DEG) 上来读取的，当温度升高时，很容易因为 “能量模糊” 而无法读取电子自旋信息。
在这个实验设计中，他们设计了一个由两个量子位组成的 “晶胞”，并将它们限制在嵌入硅中的一对量子点中。“通过这种方式，我们可以使用两个量子点之间的 '泡利自旋块' (Pauli Spin block') 来读取电子自旋信息，并且实验也证实它可以在稍高的温度环境下继续起作用。”
量子计算因此减少
“温度升高后，可以获得许多优点。”杨志焕告诉记者，首先，它不受超冷条件的限制，这意味着不再需要复杂昂贵的 “稀释冰室” 系统来操作量子比特; 其次，可以有更强大的冷却动力，这意味着 “将低温操作电子元件直接集成在qubit芯片上不再是梦想”。
这两个好处可以大大降低开发项目的难度和成本。杨志焕解释说，虽然温度 “只” 提高了15倍，但散热的冷却功率却可以提高数千倍，这对冰箱的压力要小得多: “如今量子计算的大瓶颈就是冰箱，冰箱的压力越低，也能让更多的研究团队参与进来。”
也就是说，在这种精致解决方案的实施下，温度放大的结果可以用于使用现有的硅芯片工艺生产量子芯片，并且可以在不需要数百万美元的冷却系统的情况下运行。同时，它更容易与传统的基于硅的芯片集成-这将是控制量子处理器所必需的。
这一成果的取得引起了业界的高度关注。南方科技大学量子科学与工程研究所副研究员贺禹称该成果是 “硅量子计算的又一突破”，他告诉《中国科学报》记者: "能在1.5k下工作的量子比特，对于使用冰箱的人来说，可以称之为" 高温 "'，澳大利亚专注于硅基量子计算20年，近年来终于不断取得突破，取得了许多重要成果，成为全球硅量子计算的领军力量。”
中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员游力行说，“1.5K与温度区的冰箱有关”，而另一位要求匿名的专家，评论说 “硅 (量子芯片) 可以直接利用强大的半导体工业技术，这是最关键的”。
《自然》同期 “背对背” 文章寓意深刻
值得一提的是，杨志焕和安德鲁·德祖拉克领导的这项研究并不是本周发表在《自然》上的唯一一篇关于 “热量子位” 的文章。另一篇发表在《自然》上的文章《热硅量子比特中的通用量子逻辑》 (Universal Quantum Logic in Hot Qubits)，使用类似的硅技术来达到类似的结果 (可以在1.1K的温度下工作的量子电路)。
杨志焕告诉《中国科学报》记者，上述论文的第一作者门诺·维尔德霍斯特是前德祖拉克集团的博士后研究员。尽管两个原理实验的结果不同 (Dzurak组的结果是在2019年2月中获得的，Menno组的结果是在2019年10月中获得的)，但它们是相互独立和相互确认的。
两篇 “相似” 的论文能在同一期《自然》杂志 “背靠背” 发表，也显示了相关成果的突破。论文的研究人员认为，他们已经克服了阻止量子计算机成为现实的最艰巨的障碍之一。
作者: 赵广利
: 科学网络
相关论文信息:
