传统芯片技术进入量子计算战场,硅材料或是一枚「加速器」

编译 | Edison Ke

作者 | Davide Castelvecchi

来源 | Nature



在接下来的几周里,荷兰代尔夫特理工大学的一个研究小组预计将收到一份重要的快递。它里面装着很可能加剧生产可用量子计算竞争的东西。

该包裹由位于俄勒冈州希尔斯伯勒的半导体巨头英特尔的研发部门寄来,里面是第一台利用传统计算机硅芯片的制造技术制成的量子计算机。英特尔量子硬件开发负责人 James Clarke 表示,尽管硅技术目前落后于其它量子计算机的研发方法,但该公司仍希望这项技术能够加速量子设备的发展,尤其是那些不只是用于验证好奇心,而是真正旨在商用的发展。「我想你今年会听到很多关于硅量子计算的消息。」Clarke 说。

这种相对温和的设备代表了推动硅技术超越其他方法的最新举措。一些科学家也表示,在硅路线上看到了希望。澳大利亚悉尼的新南威尔士大学的 Michelle Simmons 等物理学家正在自行开发用硅建造量子计算机的方法。2017 年 5 月,Simmons 创立了一个估值 8,300 万澳元(约合 6,500 万美元)的创业公司,名叫「Silicon Quantum Computing」(硅量子计算)。澳大利亚政府提供了部分资金支持。

量子计算机的目标在于利用两个小尺度的现象来超越将比特信息编码为 0 和 1 的传统计算方法。在量子世界中,信息单位被称为量子比特,每个量子比特可以同时存在于 0 和 1 的「叠加」中。两个比特也可以纠缠,这样一个量子比特的状态就决定了与其纠缠的另一个量子比特的状态。这使得量子装置能够并行地进行计算。

许多实验室的物理学家已经开发出了原型量子计算机,但它们通常要在接近绝对零度的温度下工作。这场计算竞赛中的领跑者通常使用下列两种方法之一来编码这些量子比特:利用被困在势阱中的单离子,或者利用在超导回路中振荡的电流。这两种系统都需要精确的控制:离子技术使用复杂的激光系统来读写每一个量子比特,而超导量子比特必须各有一个装置来用无线电波控制它们。

硅技术的支持者看到了使用半导体来编码量子比特的巨大优势。比如,这样的量子比特可以更简单地利用蚀刻在芯片上的微型电线来操控。而且,如果制造传统芯片的大规模制造技术可以几乎原样迁移到量子领域,那么,将技术转化为商用产品就会变得更加容易。


漫漫长路

用硅制造量子计算机的想法并不新鲜。马里兰大学帕克分校的一位实验物理学家 Bruce Kane 在 20 年前就首先建议利用嵌入于硅的磷原子核的磁定向(也就是自旋)来编码量子比特。大约在同一时间,约克敦海茨的受雇于 IBM 的理论物理学家 David Di Vincenzo 和他的合作者,瑞士巴塞尔大学的 Daniel Loss 提出了一种在半导体内部移动电子的自旋中存储信息的方法。这两项建议都引入了一些实验性的演示,但是长期以来,材料的质量限制了研究的进展。

新泽西州普林斯顿大学的物理学家 Jason Petta 表示,用硅材料制造一台量子计算机的尝试受制于材料科学和工程领域多年来「不太快」的发展。Simmons 执掌的新南威尔士大学量子计算和通信技术中心的物理学家们已经做了大量的基础工作。Simmons 开发了一种只需要极少控制导线的制造技术,可以避免量子设备扩大后不可避免的拥挤问题。「我想通过工程设计来摆脱一切不必要的东西,尽可能地简化任务。」

在 2017 年,两个团队的研究均获得了里程碑式的进展,他们设计出了第一个完全可控的双比特硅元器件。Petta 和他的合作者实现了这一突破,代尔夫特的 Lieven Vandersypen 领导的另一个独立团队也完成了同一进展。

10 年间在代尔夫特累计投资高达 5,000 万美元的英特尔目前正在为 Vandersypen 公司生产多量子比特电子自旋设备。公司在研发现行微处理器的工厂里进行量子设备的生产。他说,业内伙伴可以通过提供可靠的同类设备来提供帮助。

Clarke 说:「我们希望我们能够通过加速自旋量子比特来与更成熟的方法竞争。」Simmons 的初创企业计划在 5 年内建造一台 10 量子比特机。谷歌、IBM 以及其它一些公司和学术实验室都在使用不同的技术来试图构建约有 50 个超导量子比特的量子计算机——英特尔本身也在这个方向进行研发。英特尔正通过支持多种技术手段来对冲自己在研制量子计算机事业上的风险。

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