自旋翻转型量子比特，大规模集成化的新方案

量子计算机的建造被称为“21世纪的星球大战计划”，这是一项困难但是宏伟的挑战，它的实现可以带来革命性的变化，使得原本不可能的计算任务都迎刃而解，其强大的能力不仅可以助力医疗、国防、金融、化学和材料等学科的发展，还可应用于软件调试、航天和交通规划等实际问题中。

目前，基于超导电路的量子比特（谷歌和IBM在投入研制）和基于量子阱的量子比特，其电路体积较大，实现相对容易，在可操控量子比特数目方面处于领先位置。然而，正是由于它们的大体积，使得未来大数目量子比特的集成会面临很大的问题，进而会影响到一些实际应用的量子算法的实现。

近日，澳大利亚新南威尔士大学的工程师们发明了一种本质革新的量子计算机结构。这种结构基于新型的“自旋翻转型量子比特”，可以使得大规模的制造量子芯片的成本和难度相比预想的要大幅度降低，利用现有技术便可轻易实现。

这种新型的设计发表在近期的Nature Communication上。不同于其他实现方法，该设计可以使得硅量子处理器在不用准确放置原子的情况下实现扩展。重要的是，它可以使得量子计算机中最基本的单元，即量子比特，之间的距离达到百纳米量级而且依然保持耦合特性。

这种设计是由Andrea Morello领导的小组实现的。Andrea Morello是位于悉尼的量子计算和通信先进技术中心的一位项目经理，该中心依托新南威尔士大学建立。论文的首作者Guilherme Tosi是量子计算和通信先进技术中心的一位研究员，他同Morello和同在该中心工作的合作者Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt、Stefanie Tenberg一起提出了这一前沿概念，同时还有美国普渡大学的Rajib Rahman和Gerhard Klimeck。

量子计算机的高速而且强大的计算能力来自于量子比特可以处于叠加态的特性，但是，量子比特之间这种幽灵般的“纠缠”特性仅能存在于基本粒子的量子特性层面。“如果他们相隔太近或太远，那么量子比特之间的纠缠特性，这也是量子计算机中最神奇的地方，将不复存在。” Tosi说。

“如果我们想在微小尺度下实现成千上万个量子比特的集成，那么控制线路和信号读出线路也需要是纳米量级，其插口的间距和电极的密度也要与之相匹配，这具有很高的难度。然而，Guilherme和团队提出的这种新的设计提供了另外一种方法。” 

Andrea Morello，这位新南威尔士大学量子技术的教授接着说：“我们的新型基于硅的方法正好解决了当前量子比特的矛盾，它的制作比原子尺寸的装置要简单，同时还可以在一个平方毫米上集成百万个量子比特。”

Morello表示，新南威尔士大学已经引领全球在进行这种尺度下自旋量子比特的搭建。

在Morello团队曾使用的单原子量子比特中，应用了Tosi的新设计：一个硅芯片上覆盖有一层绝缘的二氧化硅，在其上方有一类金属电极，工作在绝对零度和一个强的磁场下。

整个结构的核心是一个磷原子。Morello的团队曾经使用磷原子的一个电子和其核子构建了两个可用的量子比特。单就相干时间来说，这些量子比特是创世界纪录的。

Tosi的概念突破是构建一种新型的量子比特，同时使用核子和电子。在这种方法中，量子比特的0态被定义为电子自旋向下而核子自旋向上的状态，而1态则被定义为电子自旋向上而核子自旋向下。

“我们称它为‘自旋翻转’量子比特，” Tosi说。“在操作这个量子比特时，需要使用顶部的电极将电子远离核子一段距离，通过这个操作，可以建立一个电偶极子。”

“Guilherme和团队所提出的这种设计是对于自旋量子比特的一种新的定义方式。这种自旋翻转量子比特既使用原子的电子又使用核子。重要的是，这种新型的量子比特使用电信号控制。相比于磁信号，芯片中的电信号更加容易分配和布置。”

“这是至关重要的一点，”Morello补充说，“这些电偶极子可以和彼此在很长的距离下进行相互作用，约有接近1微米的距离。”

“这意味着我们现在可以将单原子量子比特放置的比之前所能想象的还要远，”他继续说到。“所以可以在保持量子比特想干行的同时，还有充足的地方来布置其他关键的传统器件，比如连接线、控制电极和读出线路。”

Tosi表示，这种设计成功的避开了所有基于自旋的硅量子比特所面对的问题，这个问题在团队试图扩展大数量的量子比特的集成时也遇到过，即在实际的应用中需要将它们放置相隔10～20纳米，约50个原子的长度的距离。

“这确实是一个绝妙的设计，而且它同其他的跨越式的理论一样，可谓前无古人。” Morello表示。

Morello称Tosi这次提出的概念同1998年Bruce Kane在Nature上发表的开创性文章一样重要。Kane当时作为新南威尔士大学的一个高级研究助理，偶然发现了一种架构，可以实现基于硅的量子计算机，触发了澳大利亚建造量子计算机的竞赛。

“向Kane的文章一样，这篇文章也只是个理论，一个建议，目前这种量子比特还在搭建之中，” Morello说到。“我们已经有了一些初步的实验结果，证明这种方法是充分可行的，所以我们现在正在努力来证明它。但是我认为这篇文章如同Kane的文章一样，本身即是一种成功。”

“实现量子计算机的商业实用需要耗费巨大的投入，但我们看到这个出色团队的工作使得澳大利亚掌握了先机，”新南威尔士大学工程系主任Mark Hoffman说到。“这也反映出新南威尔士大学，和世界上许多顶级的科研机构一样，如何在今天掌握着全球最高深知识的核心，并利用它来塑造我们的未来。”

今年八月，团队成立了Silicon Quantum Computing Pty Ltd，这家作为澳大利亚第一家量子计算公司，旨在推动量子计算机的发展并且将团队独有的技术进行商业化。

这个来自新南威尔士大学的团队已经与包括新南威尔士大学（2500万）、电信巨头Telstra（1000万）、澳大利亚联邦银行（1400万）和澳大利亚联邦政府（2500万）、新南威尔士洲政府（870万）等签订了8300万澳币的协议。他们计划到2022年研制出一个10量子比特的基于硅基集成电路的芯片，作为迈向世界上第一台基于硅的量子计算机的第一步。

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编辑：Alex

参考：

https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html

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