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世界各地的研究团队都在想方设法设计出一种能整合量子交互作用的量子计算芯片，目前，新南威尔士大学（UNSW, University of New South Wales）的工程师们相信他们已经解决了这个问题。通过重新构思硅微处理器，UNSW 的研究团队提出了一种在当前工业水平下可量产的完备量子计算芯片设计。

该设计已被发表在“自然通讯（Nature Communications）”杂志上，其中详细介绍了一种基于现有的半导体元件（称为 CMOS，互补金属氧化物半导体，构成所有现代芯片的基础）进行量子计算的新颖架构。该设计由 UNSW 澳大利亚国家制造设施主管 Andrew Dzurak 和那篇自然通讯杂志论文的主要作者，UNSW 研究员 Menno Veldhorst 博士共同完成。

图 | 新南威尔士州硅量子计算机芯片想象图

代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）与荷兰应用科学研究机构（TNO, the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research）的一个合作项目，QuTech 公司的量子技术团队领导者，Veldhorst 表示，这种新设计的强大之处在于，它第一次绘制出了一个通向制造包含数以百万计量子比特的芯片的可行道路。

Veldhorst 说：“量子计算机能通过利用量子效应解决当前计算机芯片无法解决的一些重要问题，如气候变化或癌症等复杂疾病这种全球性问题。而若要解决这类问题，则需数百万个量子比特一起工作，为此，我们需要将量子比特集成在一起并进行整合，就像现代微处理器芯片一样，这就是新设计所要达成的目标。”

“我们的设计采用传统的硅晶体管开关，通过基于网格的‘字（word）’和‘位 (bit)’选择协议（与用于在传统计算机存储器中选择 bits 的协议类似），以在庞大的二维阵列中的量子位之间”开启“量子位（即量子比特）间的相互作用。通过选择一个量子位上的电极，我们可以控制一个量子位的自旋，该量子位存储一个 0 或 1 的量子二进制码。而通过选择量子位之间的电极，我们可在量子位之间执行两个量子位逻辑交互或计算。”

图 | 位于下方的硅量子芯片上的量子位与位于上方的 CMOS 架构相互作用

量子计算机能通过利用量子物理学中的两个怪异原理，“纠缠（entanglement）”和“叠加（superposition）”，以指数形式扩展计算机的处理速度。因为量子比特可以同时存储 0,1 的任意组合。正是由于量子计算机一次可以存储多个值，所以量子计算机可以同时处理它们，一次执行多个操作。

这将使量子计算机在解决一系列重要问题时比传统计算机快数百万倍。对于一些具有挑战性的问题，量子计算机可以在几天，甚至几个小时内就找到解决方案，而当今最好的传统超级计算机则需要数百万年。设计并建造一个这种真正意义上的通用量子计算机被称为“21 世纪的太空竞赛”。

然而，为了解决这些有挑战性的问题，一台通用型的量子计算机往往需要大量数目的量子比特，很可能是几百万个。但目前我们所知的所有类型的量子比特都是非常脆弱的，因此任何微小的计算错误都可能给最终结果带来不可忽视的影响。

Dzurak 说：“所以我们需要使用纠错码，纠错码用多个量子比特来存储单个数据。而我们的芯片设计中整合了一种专为自旋量子比特设计的新型纠错码，并涉及数百万个量子位的复杂操作协议。这是第一次将所有控制和读取数百万个量子位所需的常规硅电路集成到单个芯片上的尝试。虽然该设计在走向量产的道路上仍然需要进行一些修改，但量子计算所需的所有关键组件都在一块芯片上，能使真正意义上的量子计算机（比传统计算机的运算快的多）成为可能。”

目前至少有五种主要的量子计算机构建方法：硅自旋量子位，离子阱，超导环，钻石空位和拓扑量子位; 新南威尔士大学的设计基于硅自旋量子比特。目前，所有这些方法的主要问题是，没有明确可行的方法能在使量子比特的数量达到所需的数百万个的同时，不需要把计算机变成一个庞大复杂的系统，不需要庞大的支持设备和昂贵的基础设施。

而这也正是 UNSW 提出的新设计令人兴奋的原因：它依靠硅自旋量子比特方法，已经能够模拟芯片中的大部分固态器件（全球半导体行业的核心）

。同时，它还包含了将硅自旋量子比特纠错码整合到现有的芯片设计中的可行方法，实现真正的通用量子计算。

与其他主要研究团队不同的是，该量子计算与通信技术中心的量子计算工作着重于制造全球所有计算机芯片的硅片固态器件。他们并不只是将更多的量子比特组合到一起，而是旨在构建一种容易制造并可被量产的设计。

Dzurak 说：“虽然目前大家都对量子此避而不谈，但是对于大规模的量子计算来说，我们需要的是数百万个量子比特。而这次的新设计展示了一种可以大规模扩大量子位数量的方法，这就是关键。”

该新型设计是硅自旋量子比特设计方法的一次飞跃。而也就是在两年前，在“自然（Nature）”杂志上的一篇论文中，Dzurak 和 Veldhorst 才刚刚第一次展示了通过创造了一个双量子位逻辑门，量子逻辑计算在硅器件中的完成过程。

UNSW 工程院院长 Mark Hoffman 表示：“这是通向通用量子计算机的重要一步，它首次展示了如何将这一革命性的量子计算概念转化为一个实际的设备，而该设备仅使用现代计算机的构成组件就能被制造出来。我们一直在实验室对该设计进行测试，测试结果很好。我们只需继续努力就行了，但这仍然是一个挑战。将量子计算带入商业现实仍需一个漫长的过程，而量子计算与通信技术中心的团队所提出的新设计无疑将会引领这一过程。”

自然通讯杂志上论文的其他作者包括量子计算与通信技术中心的 Henry Yang 和 Gertjan Eenink，其中后者已经加入了 QuTech 的 Veldhorst 的团队。

新南威尔士大学（UNSW），澳大利亚电讯公司以及澳大利亚联邦银行与新南威尔士州政府之间签署了一项价值 8300 万澳元的协议，计划在 2022 年前在硅芯片上开发出一个 10-bit 原型硅量子集成电路。

在今年 8 月，该计划成立了澳大利亚第一家量子计算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以推动团队独特技术的开发以及商业化。新南威尔士州政府投入了 870 万澳元，新南威尔士大学投入 2500 万澳元，澳大利亚联邦银行投入 1400 万澳元，澳大利亚电讯公司投入 1000 万澳元，澳大利亚政府投入 2500 万澳元。

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编辑：Peter 、Alex

参考：https://phys.org/news/2017-12-silicon-quantum-chip-unveiled.html

 

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