導讀

澳大利亞與荷蘭的科研人員團隊設計出了全球首款硅量子計算機芯片。

背景

經典二進制計算機存儲信息用的是：比特位(0或1)；而量子計算機憑借兩個“幽靈般”的量子物理原理：“糾纏”和“疊加”，產生出巨大的計算能力。量子計算機表示信息采用的是量子位。簡單說，量子位是一個雙態量子系統(例如：光子偏振態或電子自旋態等等)，它可以可同時處于“即是0和又是1”的狀態。

經典計算機中的兩個比特位，在某一時刻，僅能存儲4個二進制數：00、01、10、11中的一個。而量子計算機中的兩個量子位可以同時存儲這四個數，因為每一個量子位可以同時表示兩個值。也就是說，如果我們要讀出這四個數時，只需要讀取一次，而經典計算機則需要順序執行4次。當量子位繼續增加時，系統所存儲信息量就會呈指數方式增加。

由于有了量子位，從理論上說，量子計算機可以非常輕松地解決世界上最強大的經典計算機需要漫長時間才能解決的復雜計算問題，且比傳統計算機解決問題的速度快百萬倍。

如今許多量子計算機都號稱具有強大的計算能力，然而這些量子計算機卻受到了實驗室環境的限制，只能運行一些特定算法，無法隨意運行“任意算法”。簡單一點講，量子計算機無法像經典計算機一樣運行任意程序，因此其運算速度方面的優勢無法真正顯現出來。所以，各國科學家們都在致力于實現真正的通用量子計算機，這種努力已經演變成“21世紀的太空競賽”。

實現通用量子計算機，還有種種挑戰等待科學家們去克服，例如：實現更多量子位、克服溫度和環境因素影響、量子糾錯能力、量子位小型化、低成本化等等。

全世界范圍內，目前至少有五個主要的量子計算方案正在開發中：硅自旋量子位、離子阱、超導環、鉆石空位、拓撲量子位。所有這些方案的主要問題就是：對于將量子位的數量擴大至數百萬個，同時不讓量子計算機變成一個龐大的復雜系統(笨重的支撐環境和昂貴的架構)，目前仍沒有清晰的路線圖。

創新

為此，全世界的科研團隊都在探索不同方案，希望設計出一款可以集成量子位并有效工作的計算機芯片。最近，澳大利亞新南威爾士大學(UNSW )探索出了基于硅自旋量子位的新方案。研究人員重新構思了常用的“硅”微處理器，全新地設計出硅量子計算機芯片，該芯片可通過最標準的工藝和元件進行制造。

(圖片來源：Tony Melov/UNSW)

有關這種新型芯片設計的論文發表于《自然通信》(Nature Communications)期刊，它詳細描述了一種執行量子計算的新型架構。該架構采用了作為現代芯片技術基礎的半導體元器件：“CMOS”(互補金屬氧化物半導體)。

該架構由位于UNSW的澳大利亞元件制造中心(Australian NationalFabrication Facility)主任 Andrew Dzurak，以及論文領導作者 Menno Veldhorst 博士(概念設計工作完成時，他也是UNSW的研究員。)共同設計。

技術

讓我們先從芯片和量子計算這兩項技術談起。

Dzurak 也是澳大利亞著名的量子計算和通信技術卓越中心(CQC2T)的項目領頭人。他認為，人類通常將登月作為最偉大的技術奇跡。然而，制造出一種微處理器芯片更是一個舉世震驚的偉大成就。芯片中數十億個操作部件集成在一起，如同一曲華麗的交響樂一般，一起和諧地工作。芯片徹底改變了現代生活方式。

(圖片來源：UNSW)

Dzurak 表示，量子計算讓我們正處于另外一個技術飛躍的邊緣，這次飛躍將是非常深入和變革性的。但是，通過一種完整的工程設計在單個芯片上實現量子計算，難度非同小可。UNSW的科研團隊開發出的成果讓實現這一目標變得有可能。最重要的是，這種芯片設計能夠在現代的半導體制造廠中生產。

QuTech(代爾夫特理工大學和荷蘭應用科學研究組織的合作項目)量子技術的團隊負責人 Veldhorst 表示，這種新型設計的強大之處在于：它第一次描繪出一種令人信服的路線圖，它將通往創造出數百萬個量子位的目的地。

Veldhorst 表示，雖然現代計算機芯片已經非常強大，但它們仍然無法利用量子效應解決量子計算機所要解決的真正重要的問題。為了解決全球主要的挑戰性問題：氣候變化或者復雜疾病例如癌癥，公認的是：人類將需要數百萬個量子位協同工作。

該團隊的設計包含了傳統硅晶體管，它使用基于網格的“字”和“比特”選擇協議，類似于在傳統計算機芯片中選擇比特所用的協議，切換地“啟動”巨大二維陣列中的量子位之間的操作。研究人員通過選擇量子位之上的電極，可以控制量子位的自旋，這種自旋存儲了量子的二進制編碼0或者1。通過選擇量子位之間的電極，可以在量子位之間展開兩個量子位的邏輯互作用或者計算。

(圖片來源：Tony Melov/UNSW)

為了解決復雜問題，通用量子計算機需要更多量子位，可能達幾百萬。因為科學家知道所有的量子位都是脆弱的，即使是微小的錯誤也會被快速放大，導致錯誤結果。

Dzurak 表示，他們需要使用錯誤糾正代碼，這些代碼利用多個量子位存儲一段數據。研究人員設計的芯片藍圖就包含了一種為自旋量子位特制的新型錯誤糾正代碼。它包括了幾百萬個量子位之間的復雜協議操作。科學家們首次嘗試將用于控制和讀取幾百萬個量子位的所有傳統電路集成到單個芯片中。

Dzurak 表示，隨著向生產目標邁進，他們預計還要對這個設計作一些必要改動，但是所有用于量子計算的關鍵元件都處于同一塊芯片中。如果說科學家們要將量子計算機變成負荷機器，擔當現代計算機無法勝任的計算，而這項研究恰好展示了如何集成幾百萬的量子位，用于實現真正的量子計算。

價值

這種新設計創新價值在于：通過硅自旋量子位方案，它已經在很大程度上模仿了用硅制成的固態器件。硅是3800億美元的全球半導體產業的核心材料。這項研究展示了如何開發自旋量子位的錯誤糾正代碼，并與現有的芯片設計相吻合，開啟真正的通用量子計算。

不同于幾乎所有其他地方的研究小組，CQC2T 量子計算研究工作主要集中于創建硅材料制成的固態器件，而硅材料也正是全球所有的計算機芯片所采用的材料。他們的華麗設計，不僅展示了有多少量子位可以打包到一起，而且有朝一日有望構建出可以簡單制造和量產的量子位。Dzurak 認為，問題的關鍵在于，他們展示了一條通往大規模量產自旋量子位的途徑。

這項設計是硅自旋量子位的一次重大突破性研究。僅兩年之前，在自然雜志的一篇論文中，Dzurak 和 Veldhorst 首次展示了在真正的硅器件中實現量子邏輯計算，創造出兩個量子位邏輯門，成為量子計算機的中央構建模塊。

UNSW 工程學院院長 Mark Hoffman 表示，這只是嬰兒邁出的第一步，它首次展示了如何使用現代計算基礎元件，將先進的量子計算理念轉變為實用器件。現在，他們團隊為大規模擴展這項技術描繪了藍圖。

他表示，他們已經在實驗室測試了這項設計的元件，得到了非常積極的成果。他們只需要在這個基礎上持續構建，這仍然是一個持續的挑戰，但是基礎工作已經完成，而且很令人鼓舞。

關鍵字

量子計算機、量子位、硅、半導體、芯片

參考資料

【1】https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/complete-design-silicon-quantum-computer-chip-unveiled

【2】M. Veldhorst, H. G. J. Eenink, C. H. Yang & A. S. Dzurak. Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer. Nature Communications, 2017; DOI: 10.1038/s41467-017-01905-6

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總結

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