工程师为量子计算开发了一种全新的基础架构

艺术家对嵌入芯片硅矩阵中的触发器qubit的印象。插图：Guilherme Tosi博士

新南威尔士大学的一个工程师团队基于新颖的“触发器量子位”发明了一种全新的量子计算体系结构，有望使大规模制造量子芯片的成本大大降低。

这种新的芯片设计在《自然通讯》杂志上进行了详细介绍，它允许硅量子处理器进行放大，而无需其他方法中所需的精确原子放置。重要的是，它允许将量子位（或“量子位”）（量子计算机中的基本信息单位）分开数百纳米，并保持耦合状态。

该设计是由位于UNSW的ARC量子计算和通信技术卓越中心（CQC2T）的项目经理Andrea Morello领导的团队设计的，他说，新设计的制造应该很容易达到当今技术的范围。

首席作者Guilherme Tosi是CQC2T的研究员，他与Morello以及CQC2T的合著者Fahd Mohiyaddin，Vivien Schmitt和Stefanie Tenberg以及美国普渡大学的Rajib Rahman和Gerhard Klimeck共同开发了这一开创性概念。

艺术家对纠缠量子态中“触发器”量子位的印象。插图：托尼·梅洛夫（Tony Melov）

莫雷洛说：“这是一个出色的设计，就像许多这样的概念性飞跃一样，这是以前从未有人想到的令人惊奇的事情。”

“ Guilherme和他们的团队发明了一种定义“自旋量子位”的新方法，它同时使用了原子的电子和原子核。至关重要的是，可以使用电信号而不是磁信号来控制这个新的量子比特。电信号在电子芯片中的分配和定位明显更加容易。

托西说，该设计避开了一个挑战，即随着团队开始构建越来越大的量子位阵列，所有基于自旋的硅量子位都将面临：需要将它们间隔开仅10至20纳米，或仅相隔50个原子。

托西说：“如果它们太近或太远，量子位之间的“纠缠”（这就是使量子计算机如此特别的原因）就不会发生。

莫雷洛说，新南威尔士大学的研究人员已经在制作这种规模的自旋量子比特方面处于世界领先地位。“但是，如果我们要使成千上万的量子比特紧密地排列在一起，那就意味着所有的控制线，控制电子设备和读出设备也必须以纳米级，间距和密度来制造。电极。这个新概念提出了另一条途径。”

另一端是超导电路（例如，IBM和Google追求的）和离子阱。这些系统庞大且易于制造，目前在可操作的量子位数量方面处于领先地位。但是，由于它们的尺寸较大，从长远来看，按照最有用的量子算法的要求，它们在尝试组装和操作数百万个量子位时可能会面临挑战。

新南威尔士大学量子工程学教授莫雷洛说：“我们基于硅的新方法正处于最佳位置。”“比原子级设备制造起来更容易，但仍然允许我们在平方毫米上放置一百万个量子比特。”

在Morello小组使用的单原子qubit中（采用Tosi的新设计），硅芯片上覆盖有一层绝缘的氧化硅，在其上面放置着一个金属电极图形，该电极在接近零温度的绝对温度下工作。存在非常强的磁场。

核心是一个磷原子，Morello的团队以前通过该原子利用电子和原子核构建了两个功能性量子位。不经意间就拿出了这些量子比特，证明了世界纪录的连贯时间。

托西（Tosi）在概念上的突破是利用原子核和电子共同创造了一种全新的量子比特。在这种方法中，当电子的自旋下降且原子核自旋向上时，将量子位定义为“ 0”状态，而当电子的自旋上升而核自旋向下时，则定义为“ 1”状态。

托西说：“我们将其称为“触发器”量子比特。“要操作此量子位，您需要使用顶部的电极将电子拉离原子核一点点。这样，您还可以创建一个电偶极子。”

“这是关键点，”莫雷洛补充道。这些电偶极子在相当长的距离内相互作用，相互作用的距离很远，只有一微米或1000纳米。

他继续说：“这意味着我们现在可以将单原子量子位分开得比以前认为的要远得多。”“因此，在保留量子比特的精确原子状特性的同时，有足够的空间散布关键的经典组件，例如互连，控制电极和读出设备。”

莫雷洛称托西的概念与布鲁斯·凯恩（Bruce Kane）1998年开创性的《自然》杂志意义重大。当时担任UNSW高级研究员的凯恩（Kane）提出了一种新架构，该架构可以使基于硅的量子计算机成为现实，从而引发了澳大利亚建造量子计算机的竞赛。

“就像凯恩的论文一样，这是一种理论，是一项提议–量子比特尚未建立，”莫雷洛说。“我们有一些初步的实验数据表明这是完全可行的，因此我们正在努力充分证明这一点。但是我认为这和凯恩的原始论文一样有远见。”

建造量子计算机被称为“ 21世纪的太空竞赛”，这是一项艰巨而雄心勃勃的挑战，它有潜力提供革命性的工具来应对原本不可能的计算，并在医疗保健，国防，金融，化学和生物医学等领域有大量有用的应用。材料开发，软件调试，航空航天和运输。它的速度和力量在于这样一个事实，即量子系统可以拥有多个不同初始状态的“叠加”，以及怪异的“纠缠”，仅在基本粒子的量子级发生。

新南威尔士州工程学院院长Mark Hoffman表示：“要使量子计算进入商业现实需要大量工程，而我们在这个非凡团队中所看到的工作将澳大利亚推到了车手的位置。”“这是一个很好的例子，表明UNSW与世界上许多领先的研究型大学一样，今天已成为塑造我们未来的复杂的全球知识体系的核心。”

新南威尔士大学团队与新南威尔士大学，电信巨头澳洲电信（Telstra），澳大利亚联邦银行以及澳大利亚和新南威尔士州政府达成了8300万澳元的协议，到2022年开发10量子位原型硅量子集成电路。世界上第一台硅量子计算机。

8月，合作伙伴成立了澳大利亚第一家量子计算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以推动该团队独特技术的开发和商业化。新南威尔士州政府承诺提供870万澳元，UNSW 2500万澳元，联邦银行1400万澳元，Telstra 1000万澳元和联邦政府2500万澳元的认捐。

出版物：Guilherme Tosi等人，“具有健壮的长距离量子比特耦合的硅量子处理器”，《自然通讯》第8期，文章编号：450（2017）doi：10.1038 / s41467-017-00378-x