创新的量子芯片克服了量子技术领域的重大障碍

哥本哈根大学的量子物理学家在量子技术领域取得了重大突破，克服了一个重大障碍。该团队同时在同一个量子芯片上操作了多个自旋量子比特，这将有助于开发超级计算机。

实现大型功能性量子计算机的主要障碍之一是控制许多基本存储设备或量子比特的同时控制。当一个量子比特被控制时，通常会对另一个量子比特同时施加控制脉冲，从而产生负面影响。

克服这一挑战的团队包括哥本哈根大学尼尔斯·波尔研究所的两位量子物理学家：博士生和博士后研究员弗雷德里科·费德勒（Frederico Fedele）和助理教授阿努苏亚·查特吉（Anasua Chatterjee）。他们两人都在副教授费迪南德·库姆斯（Ferdinand Kuemmeth）的团队中工作。

该研究发表在期刊物理评论X量子上。

采用自旋量子比特的新方法

虽然像谷歌和IBM这样的公司专注于超导体技术用于量子处理器，但该研究小组更关注半导体量子比特，即自旋量子比特。

“广义而言，它们由电子自旋组成，这些电子自旋被困在称为量子点的半导体纳米结构中，以便可以控制和纠缠个别自旋状态，”费德勒说。

自旋量子比特可以维持其量子状态很长时间，这可能使它们能够比其他平台类型执行更快、更准确的计算。由于其微小的尺寸，更多的自旋量子比特可以放置在芯片上，这对于计算机处理能力至关重要。

研究团队能够在单个芯片上制造和操作四个量子比特，形成一个2×2的阵列。

使量子比特相互通信

根据阿努苏亚·查特吉的说法，一个最重要的目标是使量子比特相互通信。

“现在我们已经有一些相当好的量子比特，下一步就是将它们连接到电路中，这些电路可以操作多个量子比特，同时也足够复杂，以便能够纠正量子计算错误，”查特吉说。“到目前为止，自旋量子比特的研究已经达到了一个阶段，即电路包含2×2或3×3的量子比特阵列。问题在于这些量子比特只被逐一处理。”

由该团队开发的量子电路由半导体材料镓砷制成，其尺寸不大于细菌的大小。

查特吉是该研究的两位首席作者之一。

“我们芯片的新颖和重要之处在于，我们可以同时操作和测量所有量子比特。这在自旋量子比特中以前从未被证明过——甚至在许多其他类型的量子比特中也没有被证明过，”查特吉说。

为了执行量子计算，必须同时操作和测量量子比特。量子比特非常敏感，当它们被逐一测量时，即使是微小的环境噪音也会改变系统中的量子信息。

“为了获得更强大的量子处理器，我们必须不仅增加量子比特的数量，还要增加同时操作的数量，这正是我们所做的，”库姆斯教授说。

另一个重大挑战是芯片的48个控制电极必须手动调谐，并且需要不断保持调谐。这对人类来说是一个耗时的任务，因此该团队现在正在寻找一种方法，使用优化算法和机器学习来自动化这个过程。