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开发可扩展量子计算机的关键元件

在某些任务上,量子计算机有可能大大超过传统计算机的能力。但在他们帮助解决现实世界的问题之前,还有很长的路要走。许多应用需要具有数百万个量子比特的量子处理器。今天的原型只是提出了一些这样的计算单元。

“目前,每个单独的量子比特通过几条信号线连接到一个橱柜大小的控制单元。这仍然适用于几个量子比特。但如果你想在芯片上放置数百万个量子比特,那就没有意义了。因为那是量子纠错所必需的,”来自ForschungszentrumJülich和亚琛工业大学JARA量子信息研究所的LarsSchreiber博士说。

在某些时候,信号线的数量成为瓶颈。与微小量子比特的大小相比,这些线条占用了太多空间。而一个量子芯片不可能有数百万个输入和输出——一个现代经典芯片只包含大约2000个。Schreiber与ForschungszentrumJülich和亚琛工业大学的同事一起进行了数年的研究,以找到解决这个问题的方法。

他们的总体目标是将部分控制电子设备直接集成在芯片上。该方法基于由硅和锗制成的所谓半导体自旋量子比特。这种类型的量子比特相对较小。制造工艺在很大程度上与传统的硅处理器相匹配。当涉及到实现非常多的量子比特时,这被认为是有利的。但首先,必须克服一些基本障碍。

“仅由粒子接近引起的自然纠缠被限制在一个非常小的范围内,大约100纳米。为了耦合量子比特,它们目前必须彼此非常靠近。根本没有空间可以容纳额外的我们想在那里安装的控制电子设备,”Schreiber说。

为了区分量子比特,JARA量子信息研究所(IQI)提出了量子穿梭机的想法。这个特殊的组件应该有助于在更远距离的量子位之间交换量子信息。研究人员已经在“量子总线”上工作了五年,已经申请了十多项专利。该研究作为欧洲QuantERA联盟Si-QuBus的一部分开始,现在与工业合作伙伴一起在联邦教育和研究部(BMBF)的国家项目QUASAR中继续进行。

“大约10微米必须从一个量子比特桥接到下一个量子比特。根据理论,这种架构可以实现数百万个量子比特。我们最近与中央工程、电子和分析研究所的电路工程师合作预测了这一点。ForschungszentrumJülich,”IQI研究所所长HendrikBluhm教授解释道。代尔夫特理工大学和英特尔的研究人员也得出了同样的结论。

LarsSchreiber和他的团队现在已经迈出了重要的一步。他们成功地在560纳米的距离内传输了5000次电子,没有任何重大错误。这对应于2.8毫米的距离。结果发表在npjQuantumInformation上。

“冲浪”电子

一项重要改进:电子由四个简单的控制信号驱动,与以前的方法相比,这些信号在更长的距离内不会变得更复杂。这很重要,因为否则将需要大量的控制电子设备,这会占用太多空间——或者根本无法集成到芯片上。

这一成就是基于一种新的电子传输方式。“到目前为止,人们一直试图引导电子专门绕过其路径上的个别干扰。或者他们创造了一系列所谓的量子点,让电子从一个点跳到另一个点。这两种方法都需要精确的信号调整,这导致控制电子设备过于复杂,”LarsSchreiber解释说。“相比之下,我们产生一个势波,电子在其上简单地在各种干扰源上冲浪。几个控制信号就足以产生这样一个均匀的波;只需要四个正弦脉冲。”

作为下一步,物理学家现在想要证明在电子自旋中编码的量子比特信息在传输过程中不会丢失。理论计算已经表明,这在某些速度范围内的硅中是可能的。因此,量子总线为可扩展的量子计算机架构铺平了道路,该架构也可以作为数百万量子比特的基础。

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