兩比特量子門（圖片來源：新南威爾士大學(xué)）

撰文?|?魯婧涵

日前,，澳大利亞新南威爾士大學(xué)量子物理學(xué)教授米歇爾·西蒙斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊取得了量子計算領(lǐng)域的新突破。

量子計算機(jī)是利用量子相干疊加原理進(jìn)行高速運算,、存儲和處理信息,，具有超快的并行計算和模擬能力的計算機(jī)。它將信息存儲在量子比特中,。量子比特門是量子計算機(jī)的邏輯門,。

西蒙斯團(tuán)隊使用掃描隧道顯微鏡，在天然硅材料里放置兩個磷原子,。這一納米級別精度的操作,，讓磷原子形成勢阱囚禁電子，通過控制電子的相互作用創(chuàng)建了首個硅基磷原子的兩比特量子門,。這個兩比特量子門能在0.8納秒內(nèi)完成運算操作,，比目前其他基于硅的兩比特量子門操作快200倍。

這項研究的論文于近期發(fā)表在《自然》雜志上,。這項里程碑式的成果滿足了該體系量子計算的五大判決要求（Di Vincenzo's criteria）的最后一條,，結(jié)合之前的成果，基于硅的磷原子量子計算體系達(dá)成可擴(kuò)展的量子計算從原理上成為現(xiàn)實,。

研究團(tuán)隊,。左起：米歇爾·西蒙斯（團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)和中心主任）、山姆·戈爾曼博士（聯(lián)合第一作者）,、賀煜博士（聯(lián)合第一作者）,、盧德維克·克蘭克,、喬里斯·凱澤博士和丹尼爾·基思。（來源：）

判斷一個系統(tǒng)能否實現(xiàn)量子計算包含的五大判決要求包括：

1.物理系統(tǒng)可擴(kuò)展且系統(tǒng)中的量子比特具有良好性能,；

2.將量子比特的狀態(tài)初始化為簡單基態(tài)的能力,；

3.去相干時間長；

4.一組“通用”量子比特門（包含單比特量子門和兩比特量子門）,；

5.一種基于量子比特的測量能力,。

“我們以硅為載體的磷原子體系此前已經(jīng)證明了1、2,、3,、5，此次研究實際上是把4的兩比特量子門證明了,，”論文聯(lián)合第一作者賀煜告訴《環(huán)球科學(xué)》,，“該結(jié)果說明，從理論上說,，這個體系想要做可拓展量子計算是沒有問題的,。”（“可擴(kuò)展的量子計算”指能夠?qū)崿F(xiàn)的量子比特數(shù)量要具有一定的規(guī)模——擁有幾百到上千個量子比特的量子計算機(jī)才真正具有比經(jīng)典計算機(jī)優(yōu)越的性能,，其中所有的量子比特之間應(yīng)當(dāng)能夠互相分辨,單獨操作,以及從整體上完全掌控它們的行為,。）

他們的芯片利用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行加工。操作過程是：通過單個原子或一個原子團(tuán)簇的擺放形成一個量子點,，一個量子點自帶勢阱,，勢阱可以囚禁住電子，然后在電子上進(jìn)行量子操作,，電子的自旋則攜帶有量子比特信息,。

實驗裝置圖（來源：研究論文）

此前，理論研究已經(jīng)證明,，以硅為載體的磷電子自旋之間的交換作用,，有望使雙量子比特門實現(xiàn)快速(千兆赫茲)門運算。

然而,，實現(xiàn)磷原子兩個電子之間的量子比特門所需的交換關(guān)系（打開或關(guān)閉）,，直到現(xiàn)在才成為可能。這是因為此前在調(diào)整原子電路以獲得高保真度,、獨立的自旋讀數(shù)時,，很難確定交換作用打開或關(guān)閉所需的原子距離。

西蒙斯團(tuán)隊解決了這一問題,。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子距離縮短至13納米時,，量子門交換作用的打開或關(guān)閉能順利進(jìn)行。（原子距離遠(yuǎn),，交換門不易打開,；原子距離近,，交換門不易關(guān)閉）。

“我們直接通過實驗（而非理論建模）來確認(rèn)電路中量子比特的位置,，”西蒙斯說,，“讓量子芯片自己來幫助構(gòu)建它自己?！?/span>

目前,，新南威爾士大學(xué)的雙原子量子比特門可在0.8納秒內(nèi)完成一次操作，比其他基于硅的量子門（在硅上加電極形成的量子門）快200倍,。但西蒙斯教授表示,，她不會急于將其構(gòu)建成集成電路。

2018年3月,，新南威爾士州大學(xué)實驗室證明,，量子比特可以通過電子自旋的經(jīng)典關(guān)聯(lián)實現(xiàn)很簡單的“交談”,，即電子之間可以存在關(guān)聯(lián),。而目前報道的成果則這是科學(xué)家們第一次將兩個原子量子比特糾纏在一起，并設(shè)法在它們之間交換信息,。

新南威爾士大學(xué)研究小組說,，三個或四個糾纏的量子比特可以執(zhí)行一個簡單的算法。西蒙斯團(tuán)隊的下一個目標(biāo)是在5年內(nèi)構(gòu)建10比特的量子集成電路,，并希望在10年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化,。

量子計算門派眾多,，包括超導(dǎo)體量子計算,，半導(dǎo)體量子計算，光量子計算等,。

2018年1月,，英特爾推出了名為Tangle Lake的49量子比特測試芯片；兩個月后,，谷歌推出了名為Bristlestone的72量子比特處理器,。

它們使用的是以超導(dǎo)電路作為量子計算處理器的基礎(chǔ)。超導(dǎo)材料中也能發(fā)生量子現(xiàn)象,。例如,，當(dāng)超導(dǎo)材料中的電子同時進(jìn)行順時針和逆時針的移動，這就是量子現(xiàn)象,。超導(dǎo)量子芯片前景很大,，但是電路設(shè)計難度隨著比特數(shù)增多而增大。

以半導(dǎo)體硅為載體的量子計算在國際上也有幾條不同的路線,。西蒙斯利用硅中雜質(zhì)磷原子做量子計算,。另一種是在硅樣品上加各種電極,，然后通過電極形成勢阱，利用勢阱囚禁電子作為量子計算的比特,。這個方向上的兩比特門和單比特門已得到證明,，但它對電極的密度要求非常高，因為一個比特需要2－3個電極,，所以電極會排的非常密,。

但西蒙斯表示，她的實驗室在硅基使用基于原子的量子比特的方法,，最終將超越競爭對手,。

西蒙斯說，基于硅的量子比特更受歡迎,，因為它們具有最長的相干時間和最高的保真度（分別衡量量子比特保持量子態(tài)的時間和交換信息的準(zhǔn)確性）,。

西蒙斯團(tuán)隊最新方案的量子比特保真度達(dá)94%。未來,，他們將通過降低電荷噪聲,，降低電子溫度，用純凈同位素28硅代替自然硅等方式繼續(xù)提升保真度,。

西蒙斯說,，這項成就是科學(xué)家們20年努力的結(jié)晶，這些努力將推動科學(xué)家們朝著“可擴(kuò)展性的硅量子計算機(jī)”的目標(biāo)邁進(jìn),。

評估量子計算成功有兩種常見的度量標(biāo)準(zhǔn),。第一種是制造一臺性能超過傳統(tǒng)計算機(jī)的機(jī)器，從而實現(xiàn)“量子霸權(quán)”,。另一種是開發(fā)具有可行商業(yè)應(yīng)用程序的處理器,。前者需要大約50個量子比特，后者需要的量子比特更少,。

傳統(tǒng)計算機(jī)包含數(shù)百萬個晶體管,，其值為0或1。但量子計算機(jī)可以制備兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài),，換句話講,，它可以同時存儲0和1。

由于能同時存在兩種狀態(tài),，量子比特能比比特更快地解決問題,。量子計算機(jī)理論上可以徹底改變?nèi)魏我蕾囉诜敝赜嬎愫蛿?shù)據(jù)處理的行業(yè)。

這可能意味著更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報,、更有效的通勤時間,、更安全的航空系統(tǒng)、更好地識別行星和生命,、更智能的自動駕駛汽車,、更好的藥物治療和超個性化的營銷,。

昆士蘭大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院教授湯姆·斯塔斯說，量子物理學(xué)已經(jīng)從一個幾乎完全以大學(xué)為中心,、只做研究的領(lǐng)域成長為一個蓬勃發(fā)展的商業(yè)產(chǎn)業(yè),。

他表示:“這個產(chǎn)業(yè)正在爆炸式增長，全球還缺少大約2萬名量子專家,。量子技術(shù)正在密碼學(xué),、醫(yī)學(xué)、工業(yè)化學(xué)模擬以及提升傳感器測量精確等方向?qū)ふ覒?yīng)用,?！?/span>

參考資料：

https://www./articles/s41586-019-1381-2

https://www./technology/2019/jul/19/quantum-leap-australian-researchers-could-lead-to-much-greater-computing-power

https://www./technology/technology-companies/unsw-lab-in-quantum-leap-breakthrough-20190717-p527xg

https://www./news/quantum-leap-ahead-for-tech/

https:///2019/07/19/a-leap-in-the-field-of-quantum-computing-by-australian-research-team-promises-super-fast-computers/

https://www./quantum-supremacy-is-coming-heres-what-you-should-know-20190718/