迄今為止速度最快的量子計(jì)算，由澳大利亞年度人物米歇爾·西蒙斯教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家，在2018年完成了硅原子量子位元之間的第一個(gè)雙量子位元門，這是該研究團(tuán)隊(duì)建造原子尺度量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要里程碑，這項(xiàng)關(guān)鍵性的研究2019年7月17日發(fā)表在世界著名《自然》期刊上。

雙量子位門是任何量子計(jì)算機(jī)的核心組成部分，新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)這一版本是硅材料中最快的，在0.8納秒內(nèi)完成一個(gè)操作，比現(xiàn)有基于自旋的雙量子位門快200倍。

在研究團(tuán)隊(duì)的方法中，雙量子位門是兩個(gè)電子自旋之間的一種操作——類似于傳統(tǒng)電子學(xué)中經(jīng)典邏輯門所扮演的角色。這是第一次，研究小組能夠通過把兩個(gè)原子量子位元放在比以往任何時(shí)候都要近的位置來構(gòu)建一個(gè)雙量子位元柵極，然后實(shí)時(shí)控制地觀察和測(cè)量它們的自旋狀態(tài)。該團(tuán)隊(duì)獨(dú)特的量子計(jì)算方法不僅需要在硅中放置單個(gè)原子量子位元，還需要所有相關(guān)的電路來初始化、控制和讀出納米尺度上的量子位元。這一概念需要如此精確的精度，長(zhǎng)期以來人們一直認(rèn)為這是不可能實(shí)現(xiàn)的。

但是有了這個(gè)重要的里程碑，研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以將他們的技術(shù)轉(zhuǎn)換成可伸縮的處理器。量子計(jì)算與通信技術(shù)卓越中心(CQC2T)主任，也是硅量子計(jì)算Pty有限公司的創(chuàng)始人西蒙斯教授說：原子量子位元保持著硅中量子位元最長(zhǎng)相干時(shí)間的世界紀(jì)錄，具有最高的可信度。利用其獨(dú)特的制造技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)證明在硅原子量子位元上讀取和初始化單個(gè)電子自旋的能力，精確度非常高。還證明了，原子級(jí)電路具有迄今為止設(shè)計(jì)的所有連接到半導(dǎo)體量子位元系統(tǒng)中，電子噪聲是最低的。

以原子精度優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，現(xiàn)在讓能夠構(gòu)建一個(gè)真正快速、高精度的雙量子位門，這是一個(gè)可伸縮、基于硅的量子計(jì)算機(jī)基本構(gòu)件。在原子尺度上控制是可能的——而且這種方法的好處是革命性的，包括系統(tǒng)運(yùn)行的驚人速度。新南威爾士大學(xué)科學(xué)系主任、教授艾瑪·約翰斯頓·奧(Emma Johnston AO)說：這篇關(guān)鍵論文進(jìn)一步顯示了西蒙斯教授的研究是多么具有開創(chuàng)性。證明了他們可以利用原子量子位元制造出量子計(jì)算機(jī)，下一個(gè)主要目標(biāo)是建立一個(gè)10量子比特的量子集成電路。

與量子位元的接近：精確到十億分之一米的工程

利用掃描隧道顯微鏡精確定位并將磷原子封裝在硅中，研究小組首先必須計(jì)算出兩個(gè)量子位元之間的最佳距離，以便進(jìn)行關(guān)鍵的操作。該制造技術(shù)能把量子位精確地放到想要的地方，這使科學(xué)家們能夠盡可能快地設(shè)計(jì)雙量子位門。自從上次突破以來，不僅把量子位元拉近了，而且學(xué)會(huì)了以亞納米級(jí)的精度控制設(shè)備設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，以保持高可靠性。實(shí)時(shí)觀察和控制量子位相互作用，然后，研究小組能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量量子位元的狀態(tài)是如何演變的。

研究人員展示了如何在納米級(jí)控制兩個(gè)電子之間的相互作用強(qiáng)度。重要的是，能夠使量子位元的電子距離更近或更遠(yuǎn)，有效地打開和關(guān)閉它們之間的相互作用，這是量子門的先決條件。量子比特的電子受到嚴(yán)格限制，這是該方法所獨(dú)有的，而且系統(tǒng)固有的低噪音，使科學(xué)家們能夠展示出迄今為止硅材料中最快的雙量子比特門。演示的量子門，即所謂的交換門，也非常適合在量子比特之間傳輸量子信息，當(dāng)與單個(gè)量子比特門結(jié)合時(shí)，你以運(yùn)行任何量子算法。

物理上不可能的事？現(xiàn)在不是了

西蒙斯教授說：這是20年研究的成果，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步：能夠在最小的水平上控制量子，這樣我們就能在兩個(gè)原子之間創(chuàng)造相互作用，而且還能在不干擾對(duì)方的情況下彼此單獨(dú)交談，這令人難以置信，很多人認(rèn)為這是不可能的。一直以來的想是，如果我們能在這個(gè)尺度上控制量子位元世界，它們就會(huì)很快，而且確實(shí)如此！

博科園｜研究/來自：新南威爾士大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1381-2

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