工程师为量子计算开发了一个全新的架构 2017-06-13 10:21:13

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艺术家对嵌入芯片硅矩阵的触发式量子比特的印象插图:Guilherme Tosi博士新南威尔士大学工程师团队发明了一种全新的量子计算架构,基于新颖的“触发器量子比特”,有望制作大规模制造量子芯片的成本大大降低新的芯片设计,在Nature Communications杂志上有详细介绍,它允许一个硅量子处理器,可以放大,而无需精确放置其他方法所需的原子

重要的是,它允许量子位(或者“量子比特” - 量子计算机中的基本信息单元 - 被放置数百纳米并保持耦合该设计由新南威尔士大学卓越中心项目经理Andrea Morello领导的团队构思

量子计算和通信技术(CQC2T),谁说新设计的制造应该很容易达到今天的技术主要作者Guilherme Tosi,CQC2T的研究员,与Morello以及CQC2T的共同作者Fahd Mohiyaddin,Vivien Schmitt和Stefanie Tenberg,以及美国普渡大学的合作者Rajib Rahman和Gerhard Klimeck共同开发了这一先锋概念艺术家对“翻转”的印象纠缠量子态的量子比赛插图:Tony Melov“这是一个精彩的设计,就像许多这样的概念性跳跃一样,令人惊讶的是之前没有人想过它,”莫雷洛说道,“吉列尔梅和团队发明的是一种新的方式定义一个同时使用原子的电子和原子核的“自旋量子比特”重要的是,这个新的量子比特可以用电信号控制,而不是用电子信号控制电信号更容易在电子芯片中分配和定位“Tosi说该设计避开了所有基于自旋的硅量子比特在团队开始构建越来越大的量子比特阵列时所面临的挑战:需要将它们分开距离只有10-20纳米,或者仅相隔50个原子“如果它们距离太近或太远,量子位之间的'纠缠' - 这使得量子计算机如此特殊 - 不会发生, “Tosi说莫雷洛说新南威尔士大学的研究人员已经在这个规模上制造自旋量子比特的世界领先”但是如果我们想要将数千或数百万比特的阵列组合得如此接近,那就意味着所有的控制线,控制电子设备和读出装置也必须以纳米级制造,并且具有该间距和电极密度

这个新概念提出了另一种途径“在光谱的另一端是超导电路 - 例如,IBM和谷歌 - 以及离子陷阱这些系统体积大,易于制造,目前在可操作的量子比特数量方面处于领先地位

然而,由于尺寸较大,从长远来看,它们在尝试时可能面临挑战

o按照最有用的量子算法的要求组装和操作数百万个量子比特“我们新的基于硅的方法就在最佳位置,”新南威尔士大学量子工程教授莫雷洛说,“它比原子级更容易制造设备,但仍允许我们在一平方毫米上放置一百万个量子比特“在莫雷洛团队使用的单原子量子比特中,并且Tosi的新设计适用,硅芯片上覆盖有一层绝缘氧化硅,在它依赖于金属电极的模式,这些电极在接近绝对零度的温度下工作,并且存在非常强的磁场

核心是一个磷原子,莫雷洛的团队先前使用电子和核心构建了两个功能量子位

原子这些量子位单独拍摄,证明了世界纪录的连贯时间Tosi的概念突破是创造了一种全新的量子比特,同时使用了原子核和原子核

d电子在这种方法中,当电子自旋向下并且原子核旋转向上时定义了量子位'0'状态,而'1'状态是当电子自旋向上时,核自旋下降“我们称之为'触发器'量子比特,”Tosi说道:“为了操作这个量子比特,你需要将电子拉离原子核一点点,使用顶部的电极通过这样做,你也可以创造一个电子偶极“”这是关键点,“莫雷洛说 “这些电偶极子在相当大的距离,相当大的微米或1000纳米的范围内相互作用”这意味着我们现在可以将单原子量子比特放置得比以前想象的更远,“他继续说”所以有有足够的空间散布关键的经典组件,如互连,控制电极和读出设备,同时保留量子比特的精确原子性质“莫雷洛称为托西的概念与布鲁斯凯恩1998年自然凯恩的开创性论文一样重要,然后是新南威尔士大学的高级研究员探索了一种可以使基于硅的量子计算机成为现实的新架构 - 引发澳大利亚建造量子计算机的竞赛“就像凯恩的论文一样,这是一个理论,一个提议 - 量子比特还没有建造,“Morello说”我们有一些初步的实验数据表明它完全可行,所以我们正在努力充分证明这一点但我认为这是一个作为凯恩的原创论文“构建量子计算机被称为21世纪的太空竞赛”的远见卓识 - 这是一项艰难而雄心勃勃的挑战,有可能提供革命性的工具来应对其他不可能的计算,并在医疗保健领域提供大量有用的应用,防御,金融,化学和材料开发,软件调试,航空航天和运输它的速度和力量在于量子系统可以承载不同初始状态的多个“叠加”,并且在仅仅出现在量子水平基本粒子“将量子计算带入商业现实将需要伟大的工程,我们从这个非凡的团队看到的工作将澳大利亚置于驾驶员的位置,”新南威尔士大学工程学院院长Mark Hoffman说道

“这是一个很好的例子新南威尔士大学与许多世界领先的研究型大学一样,如今处于一个诡辩的核心正在塑造我们未来的全球知识体系“新南威尔士大学团队已经与新南威尔士大学,电信巨头澳大利亚电信公司,澳大利亚联邦银行以及澳大利亚和新南威尔士州政府签订了价值8300万澳元的协议,到2022年将开发一种10比特的原型硅片量子集成电路 - 构建世界上第一台硅片量子计算机的第一步8月,合作伙伴推出了澳大利亚第一家量子计算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd,以促进该团队独特技术的开发和商业化

新南威尔士州政府承诺A 8700万美元,新南威尔士州2500万澳元,联邦银行1400万澳元,Telstra 1000万澳元和联邦政府2500万澳元出版物:Guilherme Tosi等,“具有强大长距离量子比特耦合的硅量子处理器”,Nature Communications 8 ,物品号:450(2017)doi:101038 / s41467-017-00378-x来源:新南威尔士大学Wilson Da Silva