量子比特是量子計算的基本單位。就像經(jīng)典計算模擬位一樣，每個量子比特都表征兩種狀態(tài)（0 或 1）進(jìn)而形成二進(jìn)制代碼。然而，與位不同的是，它可以同時顯示兩種狀態(tài)，即所謂的 “疊加” 狀態(tài)。

量子計算平臺有望在一系列重要問題上超越傳統(tǒng)計算機(jī)，從精確的藥物制造到搜索算法。然而，設(shè)計一種可以在真實(shí)環(huán)境中制造和運(yùn)行的量子計算設(shè)備是一項重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

由于熱產(chǎn)生的振動會干擾量子比特進(jìn)而影響其工作性能，現(xiàn)有的量子計算平臺需要冷卻至極低溫度。一般來說，平臺需要在約 0.1K（開爾文）即零下 273.05℃的溫度下運(yùn)行，否則存儲在這些量子比特中的量子信息通常很快就會丟失，而達(dá)到這種溫度需要非常昂貴的成本和嚴(yán)苛的制冷技術(shù)。

上周三，《自然》雜志同時發(fā)表兩篇論文，展示了可以在比現(xiàn)有技術(shù)高出數(shù)倍的溫度下運(yùn)作的量子計算平臺。

德爾夫特理工大學(xué) Menno Veldhorst 和他的研究團(tuán)隊制作了一個能在 1.1K 溫度下運(yùn)作的量子計算平臺。

新南威爾士大學(xué) Andrew Dzurak 和他的研究團(tuán)隊演示了一個能在約 1.5K 的溫度下運(yùn)作的量子計算平臺。

研究人員表示，雖然相對溫升很小，但對于將現(xiàn)有原型機(jī)擴(kuò)展至更大更強(qiáng)的量子計算機(jī)來講，研究結(jié)果或能帶來重大的影響。同時，運(yùn)行溫度的提高代表著現(xiàn)有量子計算平臺向?qū)嵱眯苑矫孢~進(jìn)的一個重要飛躍。

制約量子計算發(fā)展的溫度

想象一下如果將量子處理器單元插入傳統(tǒng)常溫的電子電路它們會怎么樣呢，答案顯然是它們就會立即過熱。

一直以來，溫度是困擾量子計算平臺得到大規(guī)模應(yīng)用的難題之一。在世界范圍內(nèi)開發(fā)的大多數(shù)量子計算機(jī)只能以絕對零以上 0.1℃的溫度下運(yùn)行，而達(dá)到這個溫度則需要數(shù)百萬美元的制冷設(shè)備。

因此通常來講，量子比特在特殊的 “冰箱” 中發(fā)揮作用，但它們?nèi)杂稍谑覝叵鹿ぷ鞯膫鹘y(tǒng)電子設(shè)備控制，這也是阻礙技術(shù)進(jìn)步的主要障礙。

現(xiàn)在，來自新南威爾士大學(xué)的 Andrew Dzurak 教授和德爾夫特理工大學(xué)的研究員 Menno Veldhorst 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員已經(jīng)分別一定程度上解決了這個問題。

Dzurak 解釋道：“添加到系統(tǒng)中的每個量子比特對都會增加產(chǎn)生的總熱量，并且增加的熱量會導(dǎo)致錯誤。這就是為什么當(dāng)前的設(shè)計必須保持接近絕對零度的主要原因。”

同時，Dzurak 教授表示：“我們的新成果為量子計算機(jī)從實(shí)驗設(shè)備到價格合理的量子計算機(jī)開辟了一條道路，可以在現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)和政府中得以應(yīng)用。”

2019 年 2 月，Dzurak 的研究小組首次通過學(xué)術(shù)預(yù)印本檔案館（Academic Pre-print Archive）公布了他們的實(shí)驗結(jié)果。而在 2019 年 10 月，由 Dzurak 研究小組的前博士后研究員 Menno Veldhorst 領(lǐng)導(dǎo)的荷蘭小組宣布了使用 2014 年在新南威爾士大學(xué)開發(fā)的相同硅技術(shù)的產(chǎn)生了類似結(jié)果。

世界相對兩側(cè)的兩個研究小組對這種熱量子比特（Hot Qubit）行為的確認(rèn)，導(dǎo)致兩篇熱量子比特技術(shù)論文在今天的同一期《自然》雜志上同時發(fā)表。

硅基量子比特技術(shù)

與世界上正在探索的大多數(shù)設(shè)計不同，在發(fā)表在《自然》雜志的兩項獨(dú)立研究，分別報道了在溫度高于 1K（零下 272.15℃）的硅基量子計算平臺上進(jìn)行的原理驗證性實(shí)驗。

Menno Veldhorst 和他的研究團(tuán)隊制作了一個能在 1.1K 運(yùn)作的量子電路，Andrew Dzurak 和他的研究團(tuán)隊演示了一個能在約 1.5K 的溫度下運(yùn)作的系統(tǒng)。

硅能把超過 1K 溫度下正常運(yùn)作的材料很好地與周圍物質(zhì)隔離開，因此這兩項研究都將電子在硅中的自旋作為量子比特。在這種極低的溫度下，“冰箱” 強(qiáng)大到可以允許引入局域電子來校正量子比特，研究人員認(rèn)為這是將量子處理器擴(kuò)展到百萬量子比特的必要條件之一。

由 Dzurak 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊開發(fā)的單元包含兩個量子比特，它們被限制在嵌入硅的量子點(diǎn)中。這種硅材料擴(kuò)大規(guī)模后可以使用現(xiàn)有的硅芯片工廠進(jìn)行生產(chǎn)，并且可以使量子計算平臺無需數(shù)百萬美元的冷卻即可運(yùn)行。使用硅的量子計算平臺與傳統(tǒng)的硅芯片集成起來也將更加容易，這將是控制量子處理器所必需的。

量子糾纏的藝術(shù)表現(xiàn)  圖源：QuTech

研究人員在硅芯片上進(jìn)行量子處理器單元的概念驗證，其工作溫度為 1.5K，比 Google、IBM 等公司使用超導(dǎo)量子比特技術(shù)開發(fā)的主要競爭芯片技術(shù)高出 15 倍。

Dzurak 解釋說：“雖然這仍是一個非常低的溫度，但是僅用幾千美元的制冷價值就可以達(dá)到這個溫度，而不是將芯片冷卻到 0.1K，那將需要數(shù)百萬美元。雖然用我們?nèi)粘５臏囟雀拍詈茈y理解，但是這種增長在量子世界中是極端的。”

德爾夫特理工大學(xué)博士生 Luca Petit 表示：“雖然溫度的升高僅有一點(diǎn)，但就可用的冷卻能力而言，這是一個巨大的飛躍。在這些溫度下，量子比特不再必須在真空中工作，而是可以浸入液體中，這使一切變得更加實(shí)用。”

研究人員相信，他們已經(jīng)克服了阻礙量子計算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)的最困難的障礙之一。

量子集成電路的未來

研究人員認(rèn)為，將工作溫度提升至 1K 以上是一個重要的里程碑，因為冷卻到這一臨界值以下既具有挑戰(zhàn)性同時成本高昂。

隨著溫度上升到 1K 以上，成本將大大降低，效率將顯著提升。此外，使用硅基平臺也是很有誘惑力的選擇，因為這將有利于使平臺集成使用現(xiàn)有硅基硬件的經(jīng)典系統(tǒng)中。

舉個簡單的例子，能夠執(zhí)行設(shè)計新藥物所需復(fù)雜計算的量子計算機(jī)，將需要數(shù)百萬個量子比特對，數(shù)百萬個量子比特的需求對設(shè)計人員提出了巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)擴(kuò)大量子比特的數(shù)量時，量子比特和電子器件之間的分離會引起問題。目前，需要一條單獨(dú)的電纜將每個量子比特連接到其控制電子設(shè)備上。當(dāng)獲得一臺工作的量子計算機(jī)所需的數(shù)百萬個量子比特時，這不再可行。

在超低的溫度下，維持量子計算機(jī)有足夠的量子比特以供使用的前景令人望而生畏，原因在于這項技術(shù)成本高昂，并且將制冷技術(shù)推向了極限。

對于量子計算平臺未來的發(fā)展道路，Veldhorst 表示，現(xiàn)在量子技術(shù)的狀況與在 20 世紀(jì) 50 年代的計算機(jī)技術(shù)相似。

“那時，每個元器件都必須焊接在一起，這對于越來越大的電路需求來說是不可行的。這個問題的解決方案是集成電路。它使得直接在芯片上構(gòu)建組件成為可能，最終使數(shù)十億晶體管被放置在同一個芯片上。”

Veldhorst 補(bǔ)充道：“我們正在努力建立一個包含越來越多高質(zhì)量量子比特的系統(tǒng)。工作在 1.1K 的溫度下有極大的好處，我們現(xiàn)在可以開始考慮將量子硬件和經(jīng)典硬件集成到一個芯片上。在這樣做的過程中，我們將創(chuàng)造量子集成電路。”

“ 2015 年，我們首次展示了兩個可驗證的硅量子比特。現(xiàn)在到 2020 年，我們已經(jīng)在實(shí)際溫度下取得了同樣的成就。再過五年，我們可能已經(jīng)有了量子集成電路。那將是邁向未來量子計算平臺的一大步。”