Nature罕见同期发两篇“相似”量子成果，相关研究取得突破

2020-04-17

4月16日发表在《自然》杂志的一篇研究，演示了一种可在目前技术能及温度（0.1K）的15倍温度（1.5K）下运作的量子计算平台。尽管这一升温幅度看似并不高，但该研究提出的“热量子位”方案给工程上带来的便利，或将改变量子计算的发展。

《中国科学报》第一时间连线了这篇论文——《硅基量子芯片在高于1K温度下的一种运作方式》（Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin）的第一作者杨智寰（C. H.Yang）。他是澳大利亚新南威尔士大学电气工程与电信学院的量子实验科学家兼工程师。

杨智寰（左）和Andrew Dzurak 图源：Paul Henderson-Kelly

从0.1K到1.5K

杨智寰提供给记者的一份解读材料中显示，目前国际上正在开发的大多数量子计算机只能在绝对零度以上的几分之一度内工作，主要原因在于添加进系统的每个量子比特都会产生热量，而热量的增加会干扰量子系统进而导致系统失稳。

一般而言，固态（如超导或半导体电路）平台需要约0.1K（—273.05℃）的温度下运转，而这需要投入数百万美元开发接近极限的制冷技术——即便如此，将它们插入常规电路后，它们也会立即因过热停止运作。

杨智寰和同组教授Andrew Dzurak领导的研究团队就为解决这一问题提供了一个可行的“热量子位”方案，并在论文中给出了验证。

“我们用的是硅基MOS（金属—氧化物—半导体）的量子点——这是当今绝大部分芯片的技术——在选材上使用的硅-28同位素，这是一个很好的无自旋材料，它可以令电子的自旋存活更久。”杨智寰告诉《中国科学报》：“得以将平台温度提升，主要依赖于我们读取电子自旋的方式改变。”

他告诉《中国科学报》，此前读取电子自旋是通过电子隧穿到一片二维电子气（2DEG）的方式，这种方式在温度提升时容易因“能量模糊”导致无法读取电子自旋信息。

在此次的试验设计中，他们设计了一种由两个量子比特组成的“单位晶胞”，并将它们限制在一对嵌入硅的量子点中。“这样我们可以利用两个量子点之间的‘泡利自旋阻塞’（Pauli Spin Blockade）特性来读取电子自旋信息，试验也证实了在温度稍高的环境下仍能继续作用。”

量子计算入门瓶颈因此降低

“温度提高后，可以取得许多优势。”杨智寰对记者说，其一，不受超冷条件的制约，意味着不再需要复杂且昂贵的“稀释冰室”系统来运作量子比特；其二，可以有更强大的冷却功率，这意味着“将低温操作电子元件直接整合于量子比特芯片上不再是梦”。

这两项好处，都能大大降低开发工程的难度和成本。杨智寰解释说，虽然温度“只”提升15倍，但散热的冷却功率可提升上千倍之多，这给制冷机的压力就小很多：“当今量子计算很大的入门瓶颈就是在制冷机，制冷机压力小了，也能让更多的研究团队参与进来。”

也就是说，在这一精妙解决方案的实施下，温度放大的结果可以使用现有的硅芯片工艺进行生产量子芯片，并且无需数百万美元的冷却系统即可运行；同时，它与传统的硅基芯片也更容易集成——而这将是控制量子处理器所必须的。

该成果的取得引起了业内人士的高度关注。南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员贺煜称该成果是“硅量子计算又一突破”，他告诉《中国科学报》：“1.5K下可以工作的量子比特，对于用制冷机的人来说可以称得上‘高温’。澳大利亚专注硅基量子计算20年，最近几年终于连续取得突破，获得多个重要成果，成为国际上硅量子计算领先的一支力量。”

中科院上海微系统与信息技术研究所研究员尤立星表示“1.5K这个温区制冷机也好做很多”，另外一位要求匿名的专家则评价说“硅（量子芯片）可直接利用强大的半导体工业技术，这是最关键的”。

《自然》同期“背靠背”刊文有深意

值得一提的是，杨智寰、Andrew Dzurak等领衔的这一研究并不是《自然》本周刊登的唯一关于“热量子位”的文章。《自然》刊发的另一篇文章《热硅量子位中的通用量子逻辑》（Universal quantum logic in hot silicon qubits），使用相似的硅技术取得了类似的结果（制作了一个能在1.1K温度下运作的量子电路）。

杨智寰告诉《中国科学报》，上述论文作者第一作者Menno Veldhorst是Dzurak小组的前博士后研究员，两个原理性试验虽然获得成果的时间不同（Dzurak小组的成果取得于2019年2月，Menno小组的成果取得于2019年10月），但它们相互独立、相互印证。

两篇“相似”论文得以能够在同一期《自然》杂志“背对背”发表，也表明了相关成果的突破性。论文的研究人员认为，他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最艰巨的障碍之一。