藝術(shù)家對嵌入芯片硅矩陣中的觸發(fā)器qubit的印象。
新南威爾士大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種全新的量子計(jì)算架構(gòu)基于新穎的“觸發(fā)器量子位”，有望使大規(guī)模生產(chǎn)量子芯片的成本大大降低。
新的芯片設(shè)計(jì)，詳見《自然通訊》雜志進(jìn)行了，它允許硅量子處理器可以按比例放大，而無需采用其他方法精確地放置原子。重要的是，它允許量子位（或“量子位”）（量子計(jì)算機(jī)中信息的基本單位）彼此分開數(shù)百納米，并保持耦合狀態(tài)。
該設(shè)計(jì)是由位于UNSW的ARC量子計(jì)算和通信技術(shù)卓越中心（CQC2T）的項(xiàng)目經(jīng)理Andrea Morello領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)構(gòu)思的，他說，新設(shè)計(jì)的制造應(yīng)該很容易達(dá)到當(dāng)今技術(shù)的范圍。
首席作者Guilherme Tosi是CQC2T的研究員，他與Morello以及CQC2T的合著者Fahd Mohiyaddin，Vivien Schmitt和Stefanie Tenberg以及美國普渡大學(xué)的合作伙伴Rajib Rahman和Gerhard Klimeck共同開發(fā)了這一開創(chuàng)性概念。
藝術(shù)家對糾纏量子態(tài)中“觸發(fā)器”量子位的印象。
“這是一個出色的設(shè)計(jì)，就像許多這樣的概念性飛躍一樣，這是以前沒有人想到的令人驚奇的事情，”莫雷洛說。
Guilherme及其團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種定義“自旋量子位”的新方法，該方法同時使用了原子的電子和原子核。至關(guān)重要的是，可以使用電信號而不是磁信號來控制這個新的量子比特。電信號在電子芯片中的分配和定位非常容易。”
托西說，這種設(shè)計(jì)避開了一個挑戰(zhàn)，即隨著團(tuán)隊(duì)開始建造越來越大的量子位陣列，所有基于自旋的硅量子位都將面臨：需要將它們隔開的距離只有10至20納米，或者僅相隔50個原子。
托西說：“如果它們太近或太遠(yuǎn)，量子位之間的“糾纏”不會發(fā)生，這正是量子計(jì)算機(jī)如此特別的原因。”
莫雷洛說，新南威爾士大學(xué)的研究人員已經(jīng)在以這種規(guī)模制作自旋量子比特方面處于世界領(lǐng)先地位。“但是，如果我們要使成千上萬個量子比特緊密排列在一起，則意味著所有控制線，控制電子設(shè)備和讀出設(shè)備也必須以納米級，間距和密度制造。電極。這個新概念提出了另一條途徑。”
另一端是超導(dǎo)電路（例如，IBM和google追求）和離子阱。這些系統(tǒng)龐大且易于制造，目前在可操作的量子位數(shù)量方面處于領(lǐng)先地位。但是，由于它們的尺寸較大，從長遠(yuǎn)來看，按照最有用的量子算法的要求，它們在嘗試組裝和操作數(shù)百萬個量子位時可能會面臨挑戰(zhàn)。
新南威爾士大學(xué)量子工程學(xué)教授莫雷洛說：“我們基于硅的新方法正處于最佳位置。” “比原子級設(shè)備制造起來容易，但仍然允許我們在平方毫米上放置一百萬個量子比特。”
在Morello小組使用的單原子量子位中，并采用了Tosi的新設(shè)計(jì)，該硅原子上覆蓋有一層絕緣氧化硅，硅片上覆蓋著一層可在接近零溫度的絕對溫度下工作的金屬電極。存在非常強(qiáng)的磁場。
核心是一個磷原子，Morello的團(tuán)隊(duì)先前通過該原子使用電子和原子核構(gòu)建了兩個功能性量子位。這些量子比特，單獨(dú)使用，已經(jīng)證明了世界紀(jì)錄的相干時間。
托西（Tosi）的概念突破是利用原子核和電子共同創(chuàng)造了一種全新的量子比特。在這種方法中，當(dāng)電子的自旋向下且原子核自旋向上時，定義了一個量子位“ 0”狀態(tài)，而當(dāng)電子的自旋向上而核自旋向下時則定義了“ 1”狀態(tài)。
托西說：“我們稱之為“觸發(fā)器”量子比特。“要操作此量子位，您需要使用頂部的電極將電子拉離原子核一點(diǎn)點(diǎn)。這樣，您還可以創(chuàng)建一個電偶極子。”
“這是關(guān)鍵點(diǎn)，”莫雷洛補(bǔ)充道。這些電偶極子之間相互作用的距離相當(dāng)長，相當(dāng)大的幾分之一微米，即1,000納米。
他繼續(xù)說：“這意味著我們現(xiàn)在可以將單原子量子位分開得比以前認(rèn)為的要遠(yuǎn)得多。” “因此，在保留量子位的精確原子狀特性的同時，有足夠的空間散布關(guān)鍵的經(jīng)典組件，例如互連，控制電極和讀出設(shè)備。”
莫雷洛稱托西的概念與布魯斯·凱恩（Bruce Kane）1998年開創(chuàng)性的《自然》雜志意義重大。當(dāng)時擔(dān)任UNSW高級研究員的凱恩（Kane）提出了一種新架構(gòu)，該架構(gòu)可以使基于硅的量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，從而引發(fā)了澳大利亞建造量子計(jì)算機(jī)的競賽。
“就像凱恩的論文一樣，這是一個理論，一個提議–量子比特尚未建立，”莫雷洛說。“我們有一些初步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這是完全可行的，因此我們正在努力充分證明這一點(diǎn)。但是我認(rèn)為這和凱恩的原始論文一樣有遠(yuǎn)見。”
建造量子計(jì)算機(jī)被稱為“ 21世紀(jì)的太空競賽”，這是一個艱巨而艱巨的挑戰(zhàn)，它有潛力提供革命性的工具來解決否則無法進(jìn)行的計(jì)算，并在醫(yī)療保健，國防，金融，化學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域有大量有用的應(yīng)用。材料開發(fā)，軟件調(diào)試，航空航天和運(yùn)輸。它的速度和力量在于這樣一個事實(shí)，即量子系統(tǒng)可以擁有不同初始狀態(tài)的多個“疊加”，以及僅在量子級發(fā)生的基本粒子的怪異“糾纏”。
新南威爾士大學(xué)工程學(xué)系主任馬克·霍夫曼說：“將量子計(jì)算帶入商業(yè)現(xiàn)實(shí)將需要出色的工程，而我們在這個非凡團(tuán)隊(duì)中所看到的工作將澳大利亞推到了車手的位置。” “這是一個很好的例子，說明UNSW與世界上許多領(lǐng)先的研究型大學(xué)一樣，今天已成為塑造我們未來的復(fù)雜全球知識體系的核心。”
新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)已與新南威爾士大學(xué)，電信巨頭澳洲電信（Telstra），澳大利亞聯(lián)邦銀行以及澳大利亞和新南威爾士州政府達(dá)成了8300萬澳元的交易，以在2022年之前開發(fā)出10量子位原型硅量子集成電路。世界上第一臺硅量子計(jì)算機(jī)。
8月，合作伙伴成立了澳大利亞首家量子計(jì)算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以推動該團(tuán)隊(duì)獨(dú)特技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化。新南威爾士州政府承諾提供870萬澳元，新南威爾士州2500萬澳元，英聯(lián)邦銀行1400萬澳元，Telstra 1000萬澳元和聯(lián)邦政府2500萬澳元。
