温度提升一小步 量子计算一大步

杨志焕(左)和安德鲁·祖拉克照片来源:保罗·亨德森-凯利

4月16日，发表在《自然》杂志上的一项研究展示了一个量子计算平台，它能以当前技术能量和温度(0.1千)(1.5千)的15倍运行。尽管这种温度的升高似乎并不高，但本研究中提出的“热势”方案将为该项目带来便利或改变量子计算的发展。

杨志焕是这篇论文的第一作者，“一种在高于1K的温度下操作硅基量子芯片的方法”，他首先与《中国科学》杂志建立了联系。他是澳大利亚新南威尔士大学电气工程与电信学院的量子实验科学家和工程师。

从0.1K到1.5K

根据杨志焕向记者提供的解释材料，目前世界上正在开发的大多数量子计算机只能在绝对零度以上的几分之一度内工作。主要原因是每个量子位加入系统都会产生热量，热量的增加会干扰量子系统，导致系统不稳定。

一般来说，固态(例如超导或半导体电路)平台需要在大约0.1K(—273.05℃)的温度下运行，这需要数百万美元来开发接近极限的制冷技术——即使如此，它们在插入常规电路后会由于过热而立即停止运行。

杨志焕和安德鲁·祖拉克教授领导的研究小组为解决这一问题提供了一个可行的“热量生态位”方案，本文对此进行了验证。

“我们正在使用硅基金属氧化物半导体量子点——这是当今大多数芯片的技术——硅28同位素用于材料选择，这是一种非常好的无自旋材料，可以使电子的自旋存活更长时间。”杨志环告诉中国科学新闻:“我们读取电子自旋的方式是提高平台温度的主要因素。”

他告诉《中国科学新闻》，电子自旋以前是通过将电子隧穿到二维电子气(2DEG)中来读取的，当温度上升时，由于“能量模糊”，二维电子气很容易无法读取电子自旋信息。在这个实验设计中，他们设计了一个由两个量子位组成的“单位单元”，并将它们限制在一对嵌入硅中的量子点中。“通过这种方式，我们可以利用两个量子点之间的‘泡利自旋阻塞’特性来读取电子自旋信息，而且实验还证明它可以在稍高的温度环境中继续发挥作用。”

结果，量子计算进入的瓶颈被减少。

"温度升高后，可以获得许多好处."杨志环告诉记者，首先，它不受超低温条件的限制，这意味着不需要复杂而昂贵的“稀释冰室”系统来运行量子位。其次，可能会有更强大的冷却能力，这意味着“将低温运行的电子元件直接集成到量子位芯片上不再是一个梦想”。

这两个好处可以大大降低开发项目的难度和成本。杨志环解释说，虽然温度“只”增加了15倍，但散热的冷却能力可能增加数千倍，这给冰箱带来的压力要小得多:“如今引入量子计算的瓶颈是在冰箱中，冰箱的压力降低了，可以有更多的研究团队参与进来。”

也就是说，在这种精巧的解决方案的实施下，温度放大结果可以用于使用现有的硅芯片技术生产量子芯片，并且可以在没有数百万美元的冷却系统的情况下操作。与此同时，它更容易与传统的硅基芯片集成——这是控制量子处理器所必需的。

这一成就引起了业界的极大关注。中国南方科技大学量子科学与工程研究所的副研究员于和称这项成果是“硅量子计算的又一个突破”他告诉《中国科学日报》:“量子比特可以在1。对于使用冰箱的人来说，5K可以被称为“高温”。20年来，澳大利亚一直专注于基于硅的量子计算，近年来终于取得了突破性进展，并取得了许多重要成果，成为全球硅量子计算领域的领先力量。”

中科院上海微系统与信息技术研究所的研究员尤·李星说，“在这个温暖的地区，一台1.5千的冰箱可以做得更好”，而另一位不愿透露姓名的专家评论说，“硅(量子芯片)可以直接使用强大的半导体工业技术，这是最关键的”。

“自然”在同一时期“背靠背”有着深刻的含义

值得一提的是，这项研究由杨志焕、安德鲁·祖拉克等领导。并不是本周《自然》杂志上发表的唯一一篇关于“热量潜力”的文章。另一篇发表在《自然》杂志上的文章“热硅量子位中的通用量子逻辑”使用相似的硅技术来获得相似的结果(制造一个能在1.1K温度下工作的量子电路)。

杨志焕告诉《中国科学报》，上述论文的通讯作者门诺·维尔德霍斯特是德祖拉克集团的前博士后研究员。虽然两个主要实验的结果是在不同的时间获得的(德祖拉克集团的结果是在2019年2月获得的，门诺集团的结果是在2019年10月获得的)，但它们是相互独立和相互确认的。

两篇“相似”的论文能够在同一期《自然》上背靠背发表，也标志着相关成果的突破。这篇论文的研究者认为他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最困难的障碍之一。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2176

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