4月16日發(fā)表在《自然》雜志的一篇研究，演示了一種可在目前技術(shù)能及溫度（0.1K）的15倍溫度（1.5K）下運(yùn)作的量子計(jì)算平臺(tái)。盡管這一升溫幅度看似并不高，但該研究提出的“熱量子位”方案給工程上帶來(lái)的便利，或?qū)⒏淖兞孔佑?jì)算的發(fā)展。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第一時(shí)間連線了這篇論文——《硅基量子芯片在高于1K溫度下的一種運(yùn)作方式》（Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin）的第一作者楊智寰（C. H.Yang）。他是澳大利亞新南威爾士大學(xué)電氣工程與電信學(xué)院的量子實(shí)驗(yàn)科學(xué)家兼工程師。

楊智寰（左）和Andrew Dzurak 圖源：Paul Henderson-Kelly

從0.1K到1.5K

楊智寰提供給記者的一份解讀材料中顯示，目前國(guó)際上正在開(kāi)發(fā)的大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)只能在絕對(duì)零度以上的幾分之一度內(nèi)工作，主要原因在于添加進(jìn)系統(tǒng)的每個(gè)量子比特都會(huì)產(chǎn)生熱量，而熱量的增加會(huì)干擾量子系統(tǒng)進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

一般而言，固態(tài)（如超導(dǎo)或半導(dǎo)體電路）平臺(tái)需要約0.1K（—273.05℃）的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，而這需要投入數(shù)百萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)接近極限的制冷技術(shù)——即便如此，將它們插入常規(guī)電路后，它們也會(huì)立即因過(guò)熱停止運(yùn)作。

楊智寰和同組教授Andrew Dzurak領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)就為解決這一問(wèn)題提供了一個(gè)可行的“熱量子位”方案，并在論文中給出了驗(yàn)證。

“我們用的是硅基MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）的量子點(diǎn)——這是當(dāng)今絕大部分芯片的技術(shù)——在選材上使用的硅-28同位素，這是一個(gè)很好的無(wú)自旋材料，它可以令電子的自旋存活更久?！睏钪清靖嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“得以將平臺(tái)溫度提升，主要依賴(lài)于我們讀取電子自旋的方式改變?！?

他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，此前讀取電子自旋是通過(guò)電子隧穿到一片二維電子氣（2DEG）的方式，這種方式在溫度提升時(shí)容易因“能量模糊”導(dǎo)致無(wú)法讀取電子自旋信息。

在此次的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)量子比特組成的“單位晶胞”，并將它們限制在一對(duì)嵌入硅的量子點(diǎn)中?！斑@樣我們可以利用兩個(gè)量子點(diǎn)之間的‘泡利自旋阻塞’（Pauli Spin Blockade）特性來(lái)讀取電子自旋信息，試驗(yàn)也證實(shí)了在溫度稍高的環(huán)境下仍能繼續(xù)作用?！?

量子計(jì)算入門(mén)瓶頸因此降低

“溫度提高后，可以取得許多優(yōu)勢(shì)。”楊智寰對(duì)記者說(shuō)，其一，不受超冷條件的制約，意味著不再需要復(fù)雜且昂貴的“稀釋冰室”系統(tǒng)來(lái)運(yùn)作量子比特；其二，可以有更強(qiáng)大的冷卻功率，這意味著“將低溫操作電子元件直接整合于量子比特芯片上不再是夢(mèng)”。

這兩項(xiàng)好處，都能大大降低開(kāi)發(fā)工程的難度和成本。楊智寰解釋說(shuō)，雖然溫度“只”提升15倍，但散熱的冷卻功率可提升上千倍之多，這給制冷機(jī)的壓力就小很多：“當(dāng)今量子計(jì)算很大的入門(mén)瓶頸就是在制冷機(jī)，制冷機(jī)壓力小了，也能讓更多的研究團(tuán)隊(duì)參與進(jìn)來(lái)。”

也就是說(shuō)，在這一精妙解決方案的實(shí)施下，溫度放大的結(jié)果可以使用現(xiàn)有的硅芯片工藝進(jìn)行生產(chǎn)量子芯片，并且無(wú)需數(shù)百萬(wàn)美元的冷卻系統(tǒng)即可運(yùn)行；同時(shí)，它與傳統(tǒng)的硅基芯片也更容易集成——而這將是控制量子處理器所必須的。

該成果的取得引起了業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注。南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院副研究員賀煜稱(chēng)該成果是“硅量子計(jì)算又一突破”，他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“1.5K下可以工作的量子比特，對(duì)于用制冷機(jī)的人來(lái)說(shuō)可以稱(chēng)得上‘高溫’。澳大利亞專(zhuān)注硅基量子計(jì)算20年，最近幾年終于連續(xù)取得突破，獲得多個(gè)重要成果，成為國(guó)際上硅量子計(jì)算領(lǐng)先的一支力量。”

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員尤立星表示“1.5K這個(gè)溫區(qū)制冷機(jī)也好做很多”，另外一位要求匿名的專(zhuān)家則評(píng)價(jià)說(shuō)“硅（量子芯片）可直接利用強(qiáng)大的半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)，這是最關(guān)鍵的”。

《自然》同期“背靠背”刊文有深意

值得一提的是，楊智寰、Andrew Dzurak等領(lǐng)銜的這一研究并不是《自然》本周刊登的唯一關(guān)于“熱量子位”的文章?！蹲匀弧房l(fā)的另一篇文章《熱硅量子位中的通用量子邏輯》（Universal quantum logic in hot silicon qubits），使用相似的硅技術(shù)取得了類(lèi)似的結(jié)果（制作了一個(gè)能在1.1K溫度下運(yùn)作的量子電路）。

楊智寰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，上述論文作者第一作者M(jìn)enno Veldhorst是Dzurak小組的前博士后研究員，兩個(gè)原理性試驗(yàn)雖然獲得成果的時(shí)間不同（Dzurak小組的成果取得于2019年2月，Menno小組的成果取得于2019年10月），但它們相互獨(dú)立、相互印證。

兩篇“相似”論文得以能夠在同一期《自然》雜志“背對(duì)背”發(fā)表，也表明了相關(guān)成果的突破性。論文的研究人員認(rèn)為，他們已經(jīng)克服了阻礙量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)的最艱巨的障礙之一。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2170-7