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英特爾和QuTech發表在《Nature》的論文證明高於1開爾文實現雙量子位控制



2020年4月15日,英特爾與QuTech共同在《自然》雜誌(Nature)上發表了一篇論文,證明了在高於1開氏度下,能夠成功控制“高溫”量子位(量子計算的基本單位)。該研究還重點論述了對兩個量子位的單獨相干控制,其單量子位保真度高達99.3%。

這些突破突顯出對未來量子系統和矽自旋量子位進行低溫控制的潛力,矽自旋量子位與單電子晶體管極為相似,可以集成在一個封裝內。

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英特爾已經發明了一種自旋量子位製造流程,基於300毫米工藝技術,使用的是這種同位素純晶圓(矽晶圓)。 (圖片來源:Walden Kirsch/英特爾公司)

這一研究實現了關鍵性能突破。一般來說,除非將量子位冷卻到接近絕對零度(-273攝氏度,或0開氏度),否則量子位中存儲的量子信息通常很快就會丟失。在《自然》雜誌重點報導的研究中,英特爾和QuTech首次展現瞭如何運行較高溫度、較大密度且相干的量子位。這些密集的量子位能夠在相對較高的溫度下高質量運行。

隨著這項研究的開展,研究人員同時證明,1開氏度以上溫度可以實現矽量子點的單量子位控制。但是直到此前,只有在40毫開氏度的低溫下,才能實現對兩個量子位的控制。英特爾與QuTech的合作研究展現了新的突破,在1.1開氏度下,可以運行量子電路中的完整雙量子位邏輯單元。

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通過這項研究,英特爾和QuTech還證明了能夠控制雙量子位系統電子自旋的能力,並測量出單量子位保真度高達99.3%,且可對系統進行精確調整。此外,研究團隊還證明在45毫開氏度到1.25開氏度的溫度範圍內,自旋量子位的性能受影響最小。

英特爾研究院量子硬件總監Jim Clarke表示:“這項研究代表我們對矽自旋量子位的研究取得了意義非凡的進展,我們認為矽自旋量子位是一個極具潛力的候選技術,有望賦能商業規模級量子系統,因為它們非常類似於英特爾已製造超過50年之久的晶體管。我們證明高溫量子可以在更高的溫度下工作,同時保持高保真度,這為在不會影響量子位性能的情況下,實現各種本地量子位控制選項鋪平了道路。”

目前業界包括英特爾、IBM、谷歌都在研究超導量子位的路徑。超導量子位是在2000年後由美國的兩家實驗室做出來的,它通過固態電路超導、零卡爾文或幾個毫卡爾文的溫度下能夠達到量子態。

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矽自旋量子位是英特爾實現量子計算一個獨一無二的路徑,這個路徑非常適合使用英特爾現在的一整套矽半導體工藝,發揮出英特爾的優勢。英特爾已經可以在12寸的晶圓上製造出兩個矽自旋量子位,然後控制它們進行糾纏。矽自旋量子位的優勢是可以利用具體粒子做量子位,實現起來體積更小,更適合構造大型量子計算系統。

雖然不同的量子計算路徑之間是相互獨立的關係,但目前面臨的挑戰是相同的。能否將量子計算應用於實際問題中,取決於同時以高保真度擴展和控制數千個(甚至是數百萬個)量子位的能力。然而,當前的量子系統設計受限於整體系統尺寸、量子位保真度,尤其是大規模管理量子所需的控制電子器件的複雜程度。

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在一個芯片上集成控制電子器件和自旋量子位,可以大大簡化兩者之間的互連。但是要實現這一目標,提高量子位的工作溫度至關重要。在此之前,量子計算機被證明只能在毫開爾文的溫度範圍內工作——只比絕對零度高出零點幾度。現在,隨著對高溫量子的研究,QuTech與英特爾的合作已經證明了一個假設,即矽自旋量子位有可能在略高於當前量子系統運行溫度中工作,從而向量子計算的可擴展性邁出了一步。

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利用矽自旋量子推進量子計算,讓英特爾能夠利用在先進封裝和互連技術方面的專業性,為實現量子實用性開闢一條可擴展的道路。英特爾將持續推進全棧量子系統的發展,這項研究正是建立在此前的一系列工作之上,包括去年年底推出的首款Horse Ridge低溫量子控制芯片。