量子计算机“热”了15倍！科学家将量子计算平台运行温度提至1开尔文以上

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  新智元报道  

来源：IEEE等

编辑：张佳

【新智元导读】世界各地正在开发的大多数量子计算机只能在约0.1开尔文（-273.05℃）的极寒温度下运行，而日前登上Nature的两个研究团队则开发出了可以在1开尔文以上的温度下工作的量子设备，这是量子计算机走向商用的一个重要里程碑。「新智元急聘主笔、高级主任编辑，添加HR微信（Dr-wly）或扫描文末二维码了解详情。」

量子计算的极度深寒开始融化。

世界各地正在开发的大多数量子计算机只能在约0.1开尔文（-273.05℃）的极寒温度下工作。这需要数百万美元的制冷，一旦将它们插入传统的电子电路，它们就会立即过热。

目前的量子计算机最高可达50个量子比特，但科学家预计量子计算机将需要数百万个这样的量子比特来完成一些任务。而在更高温度下工作的能力是扩大到未来商业级量子计算机所需的许多量子比特的关键。

而日前，两个物理学家小组在Nature上发表了最新研究，表示他们已经独立制造出可以在1开尔文以上的温度下工作的量子设备，这种温度比竞争对手所能承受的温度高出15倍。

HongWen Jiang

加州大学洛杉矶分校的物理学家、两篇论文的同行评审员HongWen Jiang将这两项研究描述为“基于半导体的量子计算的技术突破”。 

John Gamble

“对我来说，这些研究确实代表了硅自旋量子比特的一系列重大里程碑，”微软高级量子工程师、其中一篇论文的同行评审员John Gamble表示：“这是一项引人注目的工作。”

新南威尔士大学团队：1.5开尔文温度下进行单量子比特运算

Henry Yang（左）和Andrew Dzurak（右）

第一个研究来自澳大利亚新南威尔士大学的Andrew Dzurak和Henry Yang领导的团队，题为“Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin”。研究团队在1.5开尔文的温度下，在量子处理器上进行了单量子比特运算。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2171-6

在当今的量子计算机中，必须将量子比特保存在大型稀释制冷机中，且温度刚刚高于绝对零度。操纵和读取量子比特所需的电子设备会产生过多的热量，因此会留在制冷机之外，这就增加了系统的复杂性（以及许多电线）。 

在这项新研究中描述的更高温度下，控制电子设备可以直接放在同一芯片上的量子比特附近。该系统无需使用使用氦-3和氦-4同位素的稀释制冷机，仅使用氦-4即可冷却。这应该会减少建造量子系统的成本——Dzurak描述了潜在的差异，从几百万美元到几千美元。 

代尔夫特理工大学团队：1.1 开尔文的温度下进行双量子比特运算

第二个研究来自代尔夫特理工大学Menno Veldhorst领导的团队，题为“Universal quantum logic in hot silicon qubits”。研究团队在1.1 开尔文的温度下进行了一个双量子比特运算。 英特尔量子硬件主管Jim Clarke是该论文的合著者之一。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2170-7

在一个量子点中，几个电子聚集在一起形成一个硅自旋量子比特。 新南威尔士大学的团队为他们的实验创造了两个量子比特，每个包含三个电子；代尔夫特团队创造了两个量子比特，每个分别包含一个和五个电子。 

为了用它们进行计算，新南威尔士大学的研究小组施加了一个交流电场，而代尔夫特的研究小组则使用交流磁场来操纵电子自旋，使自旋指向上(1)、下(0)或同时指向两个方向——一种称为叠加态的量子状态。

代尔夫特团队演示了两个量子比特的操作，其中两个量子比特的自旋紧密相连，因此一个量子比特上的操作可以由另一个量子比特的状态控制。这样就可以在一系列的量子比特上对逻辑进行编程。 

Menno Veldhorst

“如果你有单独的量子比特，你可以制造任意数量的量子比特，” Veldhorst 说： “但只有它们之间的互动才能让你做些有用的事情。”

用这些量子比特进行计算的一个关键是找到一种方法来操纵它们，并在比传统量子方法所允许的更高温度下读出结果。为了实现这一目标，两个团队都采用了一种称为Pauli自旋封锁的技术。 

使用这种技术，只有当电子的自旋相反时，电子才能被迫占据相同的量子点。如果它们的自旋匹配，电子将停留在它们各自的阱中。这种读出方法已在以前的实验中应用于硅自旋量子比特，为了实现跨多个量子比特的计算。 

群雄逐鹿，实用量子计算机或许还要等8-10年

展望未来，Gamble有兴趣看看研究小组是否可以扩展他们的方法，以包括更多的量子比特。他对他们迄今为止的努力感到鼓舞，他说，“事实上，我们正在看到这些类型的进步，这意味着该领域正在取得真正的进展，人们正在思考正确的问题。”

Lee Bassett

宾夕法尼亚大学专注于量子系统的物理学家Lee Bassett表示，研究人员将需要找到一种方法来改善相干时间，即在1开尔文下量子比特的存在时间。其他量子技术记录的相干时间约为100微秒，但发表在Nature上的论文描述的相干时间只有几微秒。

不过，总的来说，Bassett说，这些结果增强了他对硅自旋量子比特的信心，因为硅自旋量子比特是实用量子计算机的有希望的途径。

 

他说：“这是一个重要的里程碑，每次这些硅器件通过一个里程碑，它就离拐点越来越近，”他说： “这种集成的、基于硅的电子产品的基础架构可能会取而代之，而这项技术可能是一个引爆点。”

Jim Clarke

虽然英特尔也在研究超导量子比特，Clarke说，该公司现在把大部分研究工作集中在硅自旋量子比特上。“自旋量子位看起来很像晶体管，”他说：“英特尔每年出货400个四极晶体管。” 

同时，谷歌和IBM在超导量子比特上投入了大量资金。D-Wave的商用量子退火器也使用超导量子比特。微软正在研究拓扑量子比特，而总部位于马里兰州的IonQ公司则押注使用捕获的离子作为量子比特。

Clarke表示，新的进步并没有改变我们实现实用量子计算机的时间表，它只是加强了我们原来的时间表。他补充说：“实际上，大约要等8至10年，我们才能拥有能够以传统计算机无法实现的方式改变你我生活的量子系统。”

参考链接：

https://phys.org/news/2020-04-hot-qubits-biggest-constraints-quantum.html

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/quantum-computing-milestone-researchers-compute-with-hot-silicon-qubits