摘要：要證明量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用價(jià)值，需要數(shù)百萬個(gè)量子比特，這還需要走很長(zhǎng)的路，其中一個(gè)問題是晶片上的量子位必須彼此非常接近。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)成功地在量子芯片上將電子傳輸了幾微米，為解決這個(gè)問題邁出了重要的一步。



要證明量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用價(jià)值，需要數(shù)百萬個(gè)量子比特�？蓴U(kuò)展性是未來設(shè)備開發(fā)中的最大挑戰(zhàn)之一。為了將量子位耦合在一起，晶片上的量子位必須彼此非常接近。Forschungszentrum Jülich和RWTH亞琛大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)朝著解決這個(gè)問題邁出了重要的一步，成功地在量子芯片上將量子信息載體——電子傳輸了幾微米。他們的“量子總線（quantum bus）”可能是實(shí)現(xiàn)百萬量子比特飛躍的關(guān)鍵部件。

對(duì)于某些任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)有可能大大超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力。但是，在它們能夠幫助解決現(xiàn)實(shí)世界問題之前，還有很長(zhǎng)的路要走。許多應(yīng)用需要具有數(shù)百萬量子比特的量子處理器。今天的原型僅僅提供了很少這樣的計(jì)算單元。

“目前，每個(gè)單獨(dú)的量子位通過幾條信號(hào)線連接到碗櫥大小的控制單元。這對(duì)幾個(gè)量子位仍然有效。但是，如果你想在芯片上放置數(shù)百萬個(gè)量子位，這就不再有意義了。因?yàn)檫@對(duì)量子糾錯(cuò)是必要的，”來自JARA量子信息研究所和亞琛工業(yè)大學(xué)的Lars Schreiber博士說。

在某些時(shí)候，信號(hào)線的數(shù)量會(huì)成為一個(gè)瓶頸。與微小的量子位相比，這些線占據(jù)了太多的空間。一個(gè)量子芯片不可能有數(shù)百萬個(gè)輸入和輸出——一個(gè)現(xiàn)代經(jīng)典芯片只包含大約2000個(gè)輸入和輸出。Schreiber與Forschungszentrum Jülich和RWTH Aachen大學(xué)的同事一起進(jìn)行了幾年的研究，以找到這個(gè)問題的解決方案。

他們的總體目標(biāo)是將部分控制電子設(shè)備直接集成到芯片上。這種方法基于由硅和鍺制成的所謂半導(dǎo)體自旋量子位，這是相對(duì)很小的一種量子位。制造過程在很大程度上與傳統(tǒng)的硅處理器相匹配。當(dāng)實(shí)現(xiàn)非常多的量子位時(shí)，這被認(rèn)為是有利的。但首先，必須克服一些基本障礙。

僅由粒子的接近引起的自然糾纏被限制在非常小的范圍內(nèi)，大約100納米。為了耦合量子位，它們現(xiàn)在必須彼此靠得很近。Schreiber說，“根本沒有空間來安裝我們想要安裝的額外控制電子設(shè)備�！�

為了分離量子位，JARA量子信息研究所（IQI）提出了量子穿梭的想法。這種特殊的組件應(yīng)該有助于在更遠(yuǎn)距離的量子位之間交換量子信息。研究人員已經(jīng)研究“量子總線”（quantum bus）五年了，并且已經(jīng)申請(qǐng)了10多項(xiàng)專利。這項(xiàng)研究是作為歐洲QuantERA聯(lián)盟Si-QuBus的一部分開始的，現(xiàn)在正在聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）的國(guó)家項(xiàng)目QUASAR中與工業(yè)伙伴一起繼續(xù)進(jìn)行。

“從一個(gè)量子位到下一個(gè)量子位需要橋接大約10微米。理論上，用這樣的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬個(gè)量子位。我們最近與Forschungszentrum Jülich的電路工程師合作預(yù)測(cè)了這一點(diǎn)，”IQI研究所主任Hendrik Bluhm教授解釋道。代爾夫特大學(xué)（TU Delft）和英特爾公司的研究人員也得出了同樣的結(jié)論。

Lars Schreiber和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)邁出了重要的一步，他們成功地將一個(gè)電子傳輸了5000次，傳輸距離為560納米，沒有任何重大誤差。這相當(dāng)于2.8毫米的距離。該結(jié)果發(fā)表在科學(xué)雜志npj量子信息上。

一個(gè)重要的改進(jìn)是：電子由四個(gè)簡(jiǎn)單的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這與以前的方法不同，在更長(zhǎng)的距離上不會(huì)變得更復(fù)雜。這是很重要的，否則將需要大量的控制電子設(shè)備，這將占用太多的空間或者根本不能集成在芯片上。

這項(xiàng)成就基于一種新的電子傳輸方式。“到目前為止，人們一直試圖引導(dǎo)電子專門繞過它們路徑上的單個(gè)擾動(dòng)�；蛘咚麄儎�(chuàng)造了一系列所謂的量子點(diǎn)，讓電子從一個(gè)量子點(diǎn)跳到另一個(gè)量子點(diǎn)。這兩種方法都需要精確的信號(hào)調(diào)整，導(dǎo)致控制電子設(shè)備過于復(fù)雜，”Lars Schreiber解釋道�！跋啾戎�，我們產(chǎn)生的是一種勢(shì)波，電子在這種勢(shì)波上簡(jiǎn)單地掠過各種干擾源。對(duì)于這種均勻的波，幾個(gè)控制信號(hào)就足夠了；只需要四個(gè)正弦脈沖�！�

下一步，物理學(xué)家將證明電子自旋中編碼的量子位信息在運(yùn)輸過程中不會(huì)丟失。理論計(jì)算已經(jīng)表明，在一定的速度范圍內(nèi)，這在硅中是可能的。因此，量子總線為可擴(kuò)展的量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)鋪平了道路，這種架構(gòu)也可以作為幾百萬量子位的基礎(chǔ)。

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