物理學(xué)家證明了量子芯片上的電子傳輸

????量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百萬個(gè)量子位才能在實(shí)際應(yīng)用中證明是有用的。但這還有很長(zhǎng)的路要走。一個(gè)問題是量子比特在芯片上必須非常接近。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)朝著解決問題的方向邁出了重要的一步。他們成功地在量子芯片上將電子轉(zhuǎn)移了幾微米。?

????量子計(jì)算機(jī)需要數(shù)百萬個(gè)量子位才能在實(shí)際應(yīng)用中證明是有用的。可擴(kuò)展性是未來設(shè)備開發(fā)中面臨的最大挑戰(zhàn)之一。一個(gè)問題是量子位必須在芯片上彼此非常接近，以便將它們耦合在一起。尤利希研究中心和亞琛工業(yè)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。他們成功地在量子芯片上將電子（量子信息的載體）轉(zhuǎn)移了幾微米。他們的“量子總線”可能是掌握數(shù)百萬量子比特飛躍的關(guān)鍵組件。

????量子計(jì)算機(jī)有可能大大超過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在某些任務(wù)上的能力。但是，在他們能夠幫助解決現(xiàn)實(shí)世界的問題之前，還有很長(zhǎng)的路要走。許多應(yīng)用需要具有數(shù)百萬個(gè)量子比特的量子處理器。今天的原型只是提出了一些這樣的計(jì)算單元。

“目前，每個(gè)單獨(dú)的量子位都通過幾條信號(hào)線連接到大約櫥柜大小的控制單元。這仍然適用于幾個(gè)量子位。但是，如果你想在芯片上放置數(shù)百萬個(gè)量子位，那就不再有意義了。因?yàn)檫@是量子糾錯(cuò)所必需的，“尤利希研究中心JARA量子信息研究所的Lars Schreiber博士說。

在某些時(shí)候，信號(hào)線的數(shù)量成為瓶頸。與微小量子位的大小相比，這些線占用了太多的空間。一個(gè)量子芯片不可能有數(shù)以百萬計(jì)的輸入和輸出——一個(gè)現(xiàn)代經(jīng)典芯片只包含大約2000個(gè)這樣的輸入和輸出。Schreiber與尤利希研究中心和亞琛工業(yè)大學(xué)的同事一起，多年來一直在進(jìn)行研究，以找到解決這個(gè)問題的方法。

他們的總體目標(biāo)是將控制電子設(shè)備的部件直接集成在芯片上。該方法基于由硅和鍺制成的所謂半導(dǎo)體自旋量子比特。這種類型的量子位相對(duì)較小。制造工藝在很大程度上與傳統(tǒng)硅處理器的制造工藝相匹配。當(dāng)涉及到實(shí)現(xiàn)非常多的量子位時(shí)，這被認(rèn)為是有利的。但首先，必須克服一些根本性的障礙。

“僅由顆粒的接近性引起的自然糾纏僅限于非常小的范圍，約為100納米。為了耦合量子比特，它們目前必須彼此非常接近。我們想要在那里安裝額外的控制電子設(shè)備的空間根本沒有，“Schreiber說。

為了區(qū)分量子比特，JARA量子信息研究所（IQI）提出了量子航天飛機(jī)的想法。這個(gè)特殊的組件應(yīng)該有助于在更遠(yuǎn)的距離上在量子比特之間交換量子信息。研究人員已經(jīng)在“量子總線”上工作了五年，已經(jīng)申請(qǐng)了10多項(xiàng)專利。該研究最初是歐洲量子ERA聯(lián)盟Si-QuBus的一部分，現(xiàn)在正在與工業(yè)合作伙伴一起在聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）的國(guó)家類星體項(xiàng)目中繼續(xù)進(jìn)行。

“大約10微米必須從一個(gè)量子位橋接到下一個(gè)量子位。根據(jù)理論，這種架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬個(gè)量子位。我們最近與尤利希研究中心中央工程、電子和分析研究所的電路工程師合作預(yù)測(cè)了這一點(diǎn)，“IQI研究所所長(zhǎng)Hendrik Bluhm教授解釋說。代爾夫特理工大學(xué)和英特爾的研究人員也得出了同樣的結(jié)論。

拉爾斯·施萊伯和他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)邁出了重要的一步。他們成功地在560納米的距離上將電子運(yùn)輸了5000次，沒有任何明顯的誤差。這相當(dāng)于2.8毫米的距離。研究結(jié)果發(fā)表在科學(xué)期刊npj量子信息上。

“沖浪”電子

????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)，與以前的方法相比，這些信號(hào)在更長(zhǎng)的距離上不會(huì)變得更加復(fù)雜。這很重要，因?yàn)榉駝t將需要大量的控制電子設(shè)備，這將占用太多空間 - 或者根本無法集成到芯片上。

????這一成就是基于一種新的電子傳輸方式。

“到目前為止，人們一直試圖將電子專門引導(dǎo)到他們路徑上的單個(gè)擾動(dòng)周圍?；蛘咚麄儎?chuàng)造了一系列所謂的量子點(diǎn)，讓電子從其中一個(gè)點(diǎn)跳到另一個(gè)點(diǎn)。這兩種方法都需要精確的信號(hào)調(diào)整，這導(dǎo)致控制電子設(shè)備過于復(fù)雜，“Lars Schreiber解釋說?！跋啾戎?，我們產(chǎn)生一個(gè)勢(shì)波，電子只是在上面沖浪各種干擾源。對(duì)于這種均勻的波，幾個(gè)控制信號(hào)就足夠了;只需四個(gè)正弦脈沖即可。

????作為下一步，物理學(xué)家現(xiàn)在希望證明電子自旋中編碼的量子比特信息在傳輸過程中不會(huì)丟失。理論計(jì)算已經(jīng)表明，這在特定速度范圍內(nèi)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，該架構(gòu)也可以作為數(shù)百萬量子位的基礎(chǔ)。