4月16日發(fā)表在《自然》雜志的一篇研究，演示了一種可在目前技術能及溫度（0.1K）的15倍溫度（1.5K）下運作的量子計算平臺。盡管這一升溫幅度看似并不高，但該研究提出的“熱量子位”方案給工程上帶來的便利，或將改變量子計算的發(fā)展。

《中國科學報》第一時間連線了這篇論文——《硅基量子芯片在高于1K溫度下的一種運作方式》（Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin）的第一作者楊智寰（C. H.Yang）。他是澳大利亞新南威爾士大學電氣工程與電信學院的量子實驗科學家兼工程師。

楊智寰（左）和Andrew Dzurak 圖源：Paul Henderson-Kelly

從0.1K到1.5K

楊智寰提供給記者的一份解讀材料中顯示，目前國際上正在開發(fā)的大多數(shù)量子計算機只能在絕對零度以上的幾分之一度內工作，主要原因在于添加進系統(tǒng)的每個量子比特都會產生熱量，而熱量的增加會干擾量子系統(tǒng)進而導致系統(tǒng)失穩(wěn)。

一般而言，固態(tài)（如超導或半導體電路）平臺需要約0.1K（—273.05℃）的溫度下運轉，而這需要投入數(shù)百萬美元開發(fā)接近極限的制冷技術——即便如此，將它們插入常規(guī)電路后，它們也會立即因過熱停止運作。

楊智寰和同組教授Andrew Dzurak領導的研究團隊就為解決這一問題提供了一個可行的“熱量子位”方案，并在論文中給出了驗證。

“我們用的是硅基MOS（金屬—氧化物—半導體）的量子點——這是當今絕大部分芯片的技術——在選材上使用的硅-28同位素，這是一個很好的無自旋材料，它可以令電子的自旋存活更久。”楊智寰告訴《中國科學報》：“得以將平臺溫度提升，主要依賴于我們讀取電子自旋的方式改變。”

他告訴《中國科學報》，此前讀取電子自旋是通過電子隧穿到一片二維電子氣（2DEG）的方式，這種方式在溫度提升時容易因“能量模糊”導致無法讀取電子自旋信息。

在此次的試驗設計中，他們設計了一種由兩個量子比特組成的“單位晶胞”，并將它們限制在一對嵌入硅的量子點中?！斑@樣我們可以利用兩個量子點之間的‘泡利自旋阻塞’（Pauli Spin Blockade）特性來讀取電子自旋信息，試驗也證實了在溫度稍高的環(huán)境下仍能繼續(xù)作用?！?

量子計算入門瓶頸因此降低

“溫度提高后，可以取得許多優(yōu)勢。”楊智寰對記者說，其一，不受超冷條件的制約，意味著不再需要復雜且昂貴的“稀釋冰室”系統(tǒng)來運作量子比特；其二，可以有更強大的冷卻功率，這意味著“將低溫操作電子元件直接整合于量子比特芯片上不再是夢”。

這兩項好處，都能大大降低開發(fā)工程的難度和成本。楊智寰解釋說，雖然溫度“只”提升15倍，但散熱的冷卻功率可提升上千倍之多，這給制冷機的壓力就小很多：“當今量子計算很大的入門瓶頸就是在制冷機，制冷機壓力小了，也能讓更多的研究團隊參與進來?！?

也就是說，在這一精妙解決方案的實施下，溫度放大的結果可以使用現(xiàn)有的硅芯片工藝進行生產量子芯片，并且無需數(shù)百萬美元的冷卻系統(tǒng)即可運行；同時，它與傳統(tǒng)的硅基芯片也更容易集成——而這將是控制量子處理器所必須的。

該成果的取得引起了業(yè)內人士的高度關注。南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員賀煜稱該成果是“硅量子計算又一突破”，他告訴《中國科學報》：“1.5K下可以工作的量子比特，對于用制冷機的人來說可以稱得上‘高溫’。澳大利亞專注硅基量子計算20年，最近幾年終于連續(xù)取得突破，獲得多個重要成果，成為國際上硅量子計算領先的一支力量?！?

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員尤立星表示“1.5K這個溫區(qū)制冷機也好做很多”，另外一位要求匿名的專家則評價說“硅（量子芯片）可直接利用強大的半導體工業(yè)技術，這是最關鍵的”。

《自然》同期“背靠背”刊文有深意

值得一提的是，楊智寰、Andrew Dzurak等領銜的這一研究并不是《自然》本周刊登的唯一關于“熱量子位”的文章。《自然》刊發(fā)的另一篇文章《熱硅量子位中的通用量子邏輯》（Universal quantum logic in hot silicon qubits），使用相似的硅技術取得了類似的結果（制作了一個能在1.1K溫度下運作的量子電路）。

楊智寰告訴《中國科學報》，上述論文作者第一作者Menno Veldhorst是Dzurak小組的前博士后研究員，兩個原理性試驗雖然獲得成果的時間不同（Dzurak小組的成果取得于2019年2月，Menno小組的成果取得于2019年10月），但它們相互獨立、相互印證。

兩篇“相似”論文得以能夠在同一期《自然》雜志“背對背”發(fā)表，也表明了相關成果的突破性。論文的研究人員認為，他們已經克服了阻礙量子計算機成為現(xiàn)實的最艱巨的障礙之一。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2170-7