在為超越半導體的物理限制而開發(fā)的大量替代計算方法中，量子計算仍然是一個突出的研究領(lǐng)域，頂尖大學和大型科技公司都在致力于實現(xiàn)該技術(shù)所承諾的能力和性能實現(xiàn)。
在本文中，我們將研究來自著名大學和研究機構(gòu)的三篇科學論文。這些論文的共同點是克服這些問題并進一步擴展量子處理器的目標。
傳輸半導體量子比特
亞琛工業(yè)大學和德國Jülich 研究所的物理學家致力于研究一種增加量子處理器內(nèi)量子比特數(shù)量的新方法，并于2022年 9 月發(fā)表了他們關(guān)于開發(fā)量子信息攜帶粒子的穩(wěn)定傳輸過程的發(fā)現(xiàn)。
這里展示的是帶有量子總線的半導體量子芯片，這是 Jülich 研究所和亞琛工業(yè)大學 JARA 合作的成果。
使用硅和鍺自旋量子位（基于電子和電子空穴自旋的量子位），由Lars Scheiber 博士領(lǐng)導的團隊能夠創(chuàng)造出一種“量子總線”，能夠在 560 nm 的距離內(nèi)傳輸電子 5,000 次而不會遇到任何重大錯誤。
與其他需要精確的信號調(diào)整和復雜的控制電子的引導電子的方法相反，亞琛工業(yè)大學和尤利希團隊提出的方法實現(xiàn)了一個簡單得多的系統(tǒng)，只使用四個正弦波作為控制信號，產(chǎn)生一個電勢波，根據(jù)科學家的說法，電子可以簡單地“越過”干擾。
雖然減少干擾解決了量子計算中最大的挑戰(zhàn)之一，但Scheiber博士的團隊尚未在實踐中證明，他們的量子比特在傳輸后仍能保留電子自旋編碼的數(shù)據(jù)，但他們的理論計算證明，在特定的電子速度范圍內(nèi)使用硅是可能的。
作為歐洲 QuantERA 聯(lián)盟的一部分，“量子總線”目前是十多項已申請專利的基礎(chǔ)，顯示出可喜的成果，因為它可能是一次連接和控制數(shù)百萬量子比特的關(guān)鍵，而不需要目前量子計算機設(shè)計所依賴的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施。
增加互連自旋量子位的數(shù)量
早在 去年9 月，代爾夫特理工大學量子計算研究所 QuTech 的一組科學家就宣布了他們在開發(fā)一種用于縮放量子處理器的新型硅基方法方面的發(fā)現(xiàn)。
由Lieven Vandersypen 教授領(lǐng)導的團隊使用間隔 90 納米的電子基量子點陣列創(chuàng)建了一個六自旋量子比特硅芯片，形成了非常類似于傳統(tǒng)半導體晶體管的形狀。
六量子比特量子處理器的圖像。量子比特是通過調(diào)整芯片上紅色、藍色和綠色電線上的電壓來創(chuàng)建的。圖片由QuTech提供
根據(jù)該研究論文，這種結(jié)構(gòu)可以使用微調(diào)的微波輻射、磁場和電勢來控制，以在單個量子位上讀取和寫入信息，并使它們相互作用并創(chuàng)建量子邏輯門和兩個糾纏系統(tǒng)或每個三個電子。
通過這樣做，Lieven Vandersypen 教授的芯片在通用操作、狀態(tài)準備和量子位測量方面實現(xiàn)了可觀的保真度，同時與其他架構(gòu)相比降低了錯誤率，這是朝著創(chuàng)建基于硅的容錯量子計算機邁出的寶貴一步。
這項研究與其他研究的不同之處在于，QuTech 團隊能夠在使用熟悉的半導體制造方法生產(chǎn)的芯片上增加量子比特數(shù)的同時保持精度，這與需要復雜得多的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)的超導量子計算機相反。
擴展受量子啟發(fā)的處理器
該領(lǐng)域的另一項突破來自東京理科大學 (TUS)。由Takayuki Kawahara 教授領(lǐng)導的研究團隊正在研究一種新方法，該方法于 去年9 月宣布，旨在開發(fā)一種可擴展且完全耦合的量子啟發(fā)設(shè)備。這種設(shè)備簡稱為退火處理器或退火機。
雖然退火機不一定能利用粒子的量子特性，但通過模擬Ising模型的行為(換句話說，描述相互作用的磁鐵的自旋)，它能夠有效地解決投資組合、物流和交通流優(yōu)化等問題。
Kawahara教授的架構(gòu)采用28納米CMOS邏輯(模擬退火而不是量子退火，如D-Wave的量子退火器研究)開發(fā)，并具有512個全耦合自旋，于2020年在IEEE SAMI會議上首次提出，盡管當時這個設(shè)計由于各個旋轉(zhuǎn)之間的互連數(shù)量，難以擴展。
現(xiàn)在，該團隊設(shè)計了一種新方法，將系統(tǒng)能量狀態(tài)的計算分配給多個芯片陣列，然后由控制芯片收集，形成最終能量結(jié)果，用于更新模擬自旋的值。
TUS 研究人員提出了一種完全連接的可擴展退火處理器。該方法使用由多個耦合芯片和一個控制芯片組成的陣列計算器。圖片由東京理科大學提供
這使得該研究小組能夠開發(fā)出該系統(tǒng)的新版本，即384個自旋的FPGA實現(xiàn)，根據(jù)他們的測試，與CPU模擬相比，該系統(tǒng)能夠以584倍的速度解決優(yōu)化問題，并且能效提高46倍。
Kawahara 教授希望進一步研究并創(chuàng)建定制LSI芯片，以提高其方法的容量、性能和效率，希望改進需要解決復雜優(yōu)化問題的領(lǐng)域，例如藥物研究和材料科學。
這一切對未來意味著什么？
顯然，2022 年為量子計算帶來了積極而充滿希望的音符。雖然開發(fā)具有數(shù)百萬而不是少數(shù)量子比特的量子處理器還有很長的路要走，但本文涵蓋的研究為解決困擾該領(lǐng)域的一些最大挑戰(zhàn)的新想法鋪平了道路。
研究電子傳輸、開發(fā)容錯自旋量子比特系統(tǒng)以及通過使用傳統(tǒng)電子學模擬量子結(jié)構(gòu)，可能是繞過量子力學定律所提出的限制的關(guān)鍵，并將量子計算機帶出實驗室，帶入現(xiàn)實世界，解決復雜的現(xiàn)實世界問題。
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