导读
澳大利亚与荷兰的科研人员团队设计出了全球首款硅量子计算机芯片。
背景
经典二进制计算机存储信息用的是:比特位(0或1);而量子计算机凭借两个“幽灵般”的量子物理原理:“纠缠”和“叠加”，产生出巨大的计算能力。量子计算机表示信息采用的是量子位。简单说，量子位是一个双态量子系统(例如:光子偏振态或电子自旋态等等)，它可以可同时处于“即是0和又是1”的状态。
经典计算机中的两个比特位，在某一时刻，仅能存储4个二进制数:00、01、10、11中的一个。而量子计算机中的两个量子位可以同时存储这四个数，因为每一个量子位可以同时表示两个值。也就是说，如果我们要读出这四个数时，只需要读取一次，而经典计算机则需要顺序执行4次。当量子位继续增加时，系统所存储信息量就会呈指数方式增加。
由于有了量子位，从理论上说，量子计算机可以非常轻松地解决世界上最强大的经典计算机需要漫长时间才能解决的复杂计算问题，且比传统计算机解决问题的速度快百万倍。
如今许多量子计算机都号称具有强大的计算能力，然而这些量子计算机却受到了实验室环境的限制，只能运行一些特定算法，无法随意运行“任意算法”。简单一点讲，量子计算机无法像经典计算机一样运行任意程序，因此其运算速度方面的优势无法真正显现出来。所以，各国科学家们都在致力于实现真正的通用量子计算机，这种努力已经演变成“21世纪的太空竞赛”。
实现通用量子计算机，还有种种挑战等待科学家们去克服，例如:实现更多量子位、克服温度和环境因素影响、量子纠错能力、量子位小型化、低成本化等等。
全世界范围内，目前至少有五个主要的量子计算方案正在开发中:硅自旋量子位、离子阱、超导环、钻石空位、拓扑量子位。所有这些方案的主要问题就是:对于将量子位的数量扩大至数百万个，同时不让量子计算机变成一个庞大的复杂系统(笨重的支撑环境和昂贵的架构)，目前仍没有清晰的路线图。
创新
为此，全世界的科研团队都在探索不同方案，希望设计出一款可以集成量子位并有效工作的计算机芯片。最近，澳大利亚新南威尔士大学(UNSW )探索出了基于硅自旋量子位的新方案。研究人员重新构思了常用的“硅”微处理器，全新地设计出硅量子计算机芯片，该芯片可通过最标准的工艺和元件进行制造。
(图片来源:Tony Melov/UNSW)
有关这种新型芯片设计的论文发表于《自然通信》(Nature Communications)期刊，它详细描述了一种执行量子计算的新型架构。该架构采用了作为现代芯片技术基础的半导体元器件:“CMOS”(互补金属氧化物半导体)。
该架构由位于UNSW的澳大利亚元件制造中心(Australian National Fabrication Facility)主任 Andrew Dzurak，以及论文领导作者 Menno Veldhorst 博士(概念设计工作完成时，他也是UNSW的研究员。)共同设计。
技术
让我们先从芯片和量子计算这两项技术谈起。
Dzurak 也是澳大利亚著名的量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)的项目领头人。他认为，人类通常将登月作为最伟大的技术奇迹。然而，制造出一种微处理器芯片更是一个举世震惊的伟大成就。芯片中数十亿个操作部件集成在一起，如同一曲华丽的交响乐一般，一起和谐地工作。芯片彻底改变了现代生活方式。
Dzurak 表示，量子计算让我们正处于另外一个技术飞跃的边缘，这次飞跃将是非常深入和变革性的。但是，通过一种完整的工程设计在单个芯片上实现量子计算，难度非同小可。UNSW的科研团队开发出的成果让实现这一目标变得有可能。最重要的是，这种芯片设计能够在现代的半导体制造厂中生产。
QuTech(代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织的合作项目)量子技术的团队负责人 Veldhorst 表示，这种新型设计的强大之处在于:它第一次描绘出一种令人信服的路线图，它将通往创造出数百万个量子位的目的地。
Veldhorst 表示，虽然现代计算机芯片已经非常强大，但它们仍然无法利用量子效应解决量子计算机所要解决的真正重要的问题。为了解决全球主要的挑战性问题:气候变化或者复杂疾病例如癌症，公认的是:人类将需要数百万个量子位协同工作。
该团队的设计包含了传统硅晶体管，它使用基于网格的“字”和“比特”选择协议，类似于在传统计算机芯片中选择比特所用的协议，切换地“启动”巨大二维阵列中的量子位之间的操作。研究人员通过选择量子位之上的电极，可以控制量子位的自旋，这种自旋存储了量子的二进制编码0或者1。通过选择量子位之间的电极，可以在量子位之间展开两个量子位的逻辑互作用或者计算。
(图片来源:Tony Melov/UNSW)
为了解决复杂问题，通用量子计算机需要更多量子位，可能达几百万。因为科学家知道所有的量子位都是脆弱的，即使是微小的错误也会被快速放大，导致错误结果。
Dzurak 表示，他们需要使用错误纠正代码，这些代码利用多个量子位存储一段数据。研究人员设计的芯片蓝图就包含了一种为自旋量子位特制的新型错误纠正代码。它包括了几百万个量子位之间的复杂协议操作。科学家们首次尝试将用于控制和读取几百万个量子位的所有传统电路集成到单个芯片中。
Dzurak 表示，随着向生产目标迈进，他们预计还要对这个设计作一些必要改动，但是所有用于量子计算的关键元件都处于同一块芯片中。如果说科学家们要将量子计算机变成负荷机器，担当现代计算机无法胜任的计算，而这项研究恰好展示了如何集成几百万的量子位，用于实现真正的量子计算。
价值
这种新设计创新价值在于:通过硅自旋量子位方案，它已经在很大程度上模仿了用硅制成的固态器件。硅是3800亿美元的全球半导体产业的核心材料。这项研究展示了如何开发自旋量子位的错误纠正代码，并与现有的芯片设计相吻合，开启真正的通用量子计算。
不同于几乎所有其他地方的研究小组，CQC2T 量子计算研究工作主要集中于创建硅材料制成的固态器件，而硅材料也正是全球所有的计算机芯片所采用的材料。他们的华丽设计，不仅展示了有多少量子位可以打包到一起，而且有朝一日有望构建出可以简单制造和量产的量子位。Dzurak 认为，问题的关键在于，他们展示了一条通往大规模量产自旋量子位的途径。
这项设计是硅自旋量子位的一次重大突破性研究。仅两年之前，在自然杂志的一篇论文中，Dzurak 和 Veldhorst 首次展示了在真正的硅器件中实现量子逻辑计算，创造出两个量子位逻辑门，成为量子计算机的中央构建模块。
UNSW 工程学院院长 Mark Hoffman 表示，这只是婴儿迈出的第一步，它首次展示了如何使用现代计算基础元件，将先进的量子计算理念转变为实用器件。现在，他们团队为大规模扩展这项技术描绘了蓝图。
他表示，他们已经在实验室测试了这项设计的元件，得到了非常积极的成果。他们只需要在这个基础上持续构建，这仍然是一个持续的挑战，但是基础工作已经完成，而且很令人鼓舞。
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