由2018年澳大利亞年度最佳教授米歇爾·西蒙斯(Michelle Simmons)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硅原子量子比特之間的第一個(gè)雙量子比特門，這是該團(tuán)隊(duì)尋求建立原子級(jí)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要里程碑,。這項(xiàng)重要的研究成果發(fā)表7月17日的《自然》雜志上,。

雙量子比特門是量子計(jì)算機(jī)的核心組成部分，而新南威爾士大學(xué)(UNSW)研發(fā)小組研制的版本是硅中所展示的最快的,，它在0.8納秒內(nèi)完成了一個(gè)操作,，比其他現(xiàn)有的基于自旋的雙量子比特門快約200倍。

在西蒙斯團(tuán)隊(duì)的方法中,，一個(gè)雙量子比特門是兩個(gè)電子自旋之間的一個(gè)操作,，與經(jīng)典邏輯門在傳統(tǒng)電子學(xué)中所起的作用類似。這是首次研究小組通過(guò)將兩個(gè)原子量子比特放在比以往任何時(shí)候都更近的地方,，然后實(shí)時(shí)控制地觀察和測(cè)量它們的自旋狀態(tài),，從而建立了一個(gè)雙量子比特門。

該小組獨(dú)特的量子計(jì)算方法不僅需要在硅中放置單個(gè)原子的量子比特,，還需要所有相關(guān)的線路來(lái)初始化,、控制和讀出納米級(jí)的量子比特——這需要非常高的精度，高到人們從前一直認(rèn)為這是不可能實(shí)現(xiàn),。但隨著這一重大里程碑的到來(lái),，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正準(zhǔn)備將其技術(shù)轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展的處理器。

量子計(jì)算與通信技術(shù)卓越中心(CQC2T)主任,、硅量子計(jì)算私人有限公司(Silicon Quantum Computing Pty Ltd.)創(chuàng)始人西蒙斯教授說(shuō),，過(guò)去十年的研究成果證明，我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打破了“人類不可能實(shí)現(xiàn)”的界限。

她說(shuō)：“原子量子比特以最高的保真度在硅中保持了量子比特最長(zhǎng)相干時(shí)間的世界紀(jì)錄,。利用獨(dú)創(chuàng)的制造技術(shù),，我們已經(jīng)證明了以極高的精度讀取和初始化硅原子量子比特上的單電子自旋的能力。我們還證明了,，我們的原子級(jí)線路的電子噪聲比任何設(shè)計(jì)用于連接半導(dǎo)體量子比特的系統(tǒng)都要低,。”

“通過(guò)優(yōu)化原子精度設(shè)備設(shè)計(jì)的每一個(gè)方面,，我們已經(jīng)能夠構(gòu)建一個(gè)真正快速,、高度精確的雙量子比特門，這是一個(gè)可擴(kuò)展的硅基量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)建塊,。

“我們證明了在原子尺度上控制世界是可能的,，而且這種方法的好處是變革性的，包括我們的系統(tǒng)運(yùn)行的驚人速度,?！?/p>

新南威爾士大學(xué)科學(xué)系主任艾瑪·約翰斯頓·奧(Emma Johnston AO)教授說(shuō)，這篇關(guān)鍵論文進(jìn)一步說(shuō)明了西蒙斯教授的研究是多么具有開創(chuàng)性,。

“這是米歇爾團(tuán)隊(duì)的最后一個(gè)里程碑,，證明他們可以用原子量子比特制造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。他們的下一個(gè)主要目標(biāo)是建造一個(gè)10量子比特集成線路,，我們希望他們?cè)?-4年內(nèi)達(dá)到這個(gè)目標(biāo),。”

工程精度僅為千萬(wàn)分之一米

要利用掃描隧道顯微鏡精確地將磷原子放置并封裝在硅中，研究小組首先必須計(jì)算出兩個(gè)量子比特之間的最佳距離,，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵操作,。

“精湛的制造技術(shù)使我們能夠準(zhǔn)確地將量子比特放在想要的地方，這使我們能夠研制超快雙量子門,?！眮?lái)自CQC2T的研究主要合著者薩姆·戈?duì)柭?Sam Gorman)說(shuō)。

“自從上一次取得技術(shù)突破以來(lái),，我們不僅使量子比特更緊密地結(jié)合在一起,，而且學(xué)會(huì)了用亞納米精度控制器件設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，以保持高可靠性,?！?/p>

實(shí)時(shí)觀測(cè)和控制量子比特相互作用

然后，研究小組能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量量子比特狀態(tài)的演變情況,。而且,，最令人興奮的是,，研究人員展示了如何在納秒時(shí)間尺度上控制兩個(gè)電子之間的相互作用強(qiáng)度,。

“最重要的是，我們能夠使量子比特的電子分開得更近或更遠(yuǎn)，有效地啟動(dòng)和阻止它們之間的相互作用,，這是量子邏輯門的先決條件,。”另一位主要合著者于和(Yu He)說(shuō),。

“量子比特的電子受到嚴(yán)格的限制,，這是我們的方法所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，而且我們系統(tǒng)固有的低噪聲使我們能夠?qū)崿F(xiàn)迄今為止硅中最快的雙量子比特門,?！?/p>

我們演示的量子門，即所謂的交換門,，也非常適合在量子比特之間傳輸量子信息,，當(dāng)與單個(gè)量子比特門結(jié)合時(shí)，可以運(yùn)行任何量子算法,。

物理極限,？已經(jīng)被打破了

西蒙斯教授說(shuō)，他們已經(jīng)達(dá)到了20年研發(fā)工作價(jià)值的巔峰,?！斑@是一個(gè)巨大的進(jìn)步：能夠在最小的水平上控制自然，這樣我們就可以在兩個(gè)原子之間創(chuàng)造相互作用,，但同時(shí)也可以單獨(dú)地控制原子間的相互作用,。”

什么是量子比特,？

在西蒙斯教授的方法中,，量子比特由硅中磷原子上的電子構(gòu)成。通過(guò)精確定位和封裝硅芯片中的單個(gè)磷原子來(lái)創(chuàng)造量子比特是西蒙斯教授的團(tuán)隊(duì)在全球領(lǐng)先的一種獨(dú)特技術(shù),。這類量子比特由于其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,，可用于構(gòu)建大型量子計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

量子潛力

一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)中的大型量子計(jì)算機(jī)有潛力改變信息經(jīng)濟(jì),，創(chuàng)造未來(lái)產(chǎn)業(yè),，在數(shù)小時(shí)或數(shù)分鐘內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)需要幾個(gè)世紀(jì)才能解決的問(wèn)題，以及解決其它即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法在有效的時(shí)間內(nèi)解決的內(nèi)部問(wèn)題,。其潛在應(yīng)用包括機(jī)器學(xué)習(xí),、調(diào)度和后勤規(guī)劃、財(cái)務(wù)分析,、股市建模,、軟硬件驗(yàn)證、快速藥物設(shè)計(jì)和測(cè)試以及早期疾病檢測(cè)和預(yù)防,。

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