革命性的新量子计算机设计可能是我们一直在等待的突破 - 社会万象

“这是一个绝妙的设计，就像许多这样的概念飞跃，以前从未有过这样的想法，”在量子计算和通信技术(CQC2T)的unswbased ARC卓越中心的项目经理安德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)说。

UNSW创新的关键在于“触发器”的量子比特，它同时使用电子和原子的原子核，在这种情况下，就是磷原子。

在计算量子革命

艺术家对“触发器”量子位的印象，表现出量子纠缠。

量子位是指在1和0中编码信息的数字位的量子模拟。关键的区别在于，量子比特可以同时存在于两个状态，因为量子怪癖被称为叠加。

它类似于说一个开关同时在同时关闭，或者水是流动的，而不是同时流经一个管道——这在日常生活中是完全没有意义的，但在量子领域，很少有事情是合理的。

两个量子位可以在四个值上执行操作，在两个值上执行3个值。今天的计算机有几百万个晶体管。现在想象一个有数百万量子位的量子逻辑门。这种计算力将是前所未闻的。

问题是设计一个量子计算机，其量子位不能因解码而失败是极具挑战性的。一些公司，如d - wave或谷歌，以及许多学术研究团体，都在大力投资建立一个量子计算机，但他们的共识是，目前还没有这样的东西。

有些尝试成功了，但他们还是互相交谈。问题的关键在于，这些都需要外来的方法和材料。

例如，离子陷阱和所谓的光镊子通常用来冷却接近绝对零度的原子，因此几乎要粉碎原子运动。这使得科学家们可以阅读量子态，但缺点是这些系统不能达到几百个量子位。这是一个空间问题，我们最终想要数以百万计的量子位。

在任何主要的半导体应用中，用硅制作量子逻辑门也是必不可少的。您想要利用现有的庞大基础设施，而不是从头开始。量子计算机不需要是电动汽车。

一个激进的新方法

在新南威尔士大学的实验室里，戴着一种稀释的冰箱，将硅芯片冷却至0.01 K以上。

电子有电荷和自旋。它是一个自旋决定了一个原子是否能产生一个磁场，而这个自旋可以作为一个量子位，分别对应于自旋向上和自旋下量子态。

为了避免大规模的解码，之前的量子系统需要距离量子位只有10 - 20纳米，或者仅仅是50个原子。

CQC2T的研究人员、首席作者Guilherme Tosi说:“如果它们太近，或者太过遥远，量子比特之间的‘纠缠’——这就是量子计算机如此特殊的原因——并没有发生。”

在这个新颖的量子设计中，硅晶片上覆盖着一层绝缘的硅氧化物，在这种情况下，一种金属电极在接近绝对零度的温度下运行，而且在一个很强的磁场中存在。

托西和他的同事开发的方法本质上导致一种新的量子位,量子位' 0 '指的是当磷电子的自旋状态下,原子核自旋,“1”状态时,电子自旋时,核自旋。因此，《自然通讯》(Nature Communications)报道了“触发器”的名称。

其主要结果是，量子位现在可以被电信号所控制，而电子信号“在电子芯片内的分布和定位要比磁性芯片容易得多”。

Morello说:“我们新的基于硅的方法正好处于最佳位置。”“它比原子尺度的设备更容易制造，但仍然允许我们在一平方毫米上放置100万量子位。”

他继续说道:“这意味着我们现在可以将单个原子的量子位分离得比以前认为的更大。”“因此，有足够的空间来散布关键的经典组件，比如互联、控制电极和读出设备，同时保持量子比特的精确原子性。”

值得注意的是，所有这一切都是一个理论框架，一个蓝图，一个这样的设备，由Morello和Tosi描述的还不存在。

然而，这个有远见的路线图，有可能在21世纪的太空竞赛中最终发射人类。有了几百万倍的计算能力，我们今天拥有的计算能力，无数的科学领域将能够实现量子飞跃。我们将能够以前所未有的细节对气候进行建模，从而采取更好的适应措施。我们将能够测试成千上万的分子，寻找新的治疗方法或治愈一些最令人衰弱的疾病，仍然困扰着人类。金融，航空航天，交通，这些只是众多注定要被量子计算机颠覆的行业中的一对。