近日，澳大利亞與荷蘭的兩個團隊宣佈已經開發出了可以在1開爾文以上的溫度下工作的硅自旋量子位器件，比Google，IBM等使用超導量子位的主要競爭芯片技術高15倍。
這是量子計算機走向商用的一個重要里程碑。
兩個團隊的成果在4月16日同一期《自然》雜誌上“背對背”發表。
“對我來說，這些研究確實代表了硅自旋量子比特的一系列重大里程碑，”微軟高級量子工程師、其中一篇論文的同行評審員John Gamble表示：“這是一項引人注目的工作。”
量子計算機“升溫”
對大部分的固態（如超導或半導體電路）量子計算體系而言，極低溫需求都是可擴展化、集成化的重要制約因素。
世界各地正在開發的大多數量子計算機，只能在絕對零度(-273.15℃)以上的幾分之一度內（-273.05℃）工作，這就需要數百萬美元的製冷設備——稀釋製冷機為量子比特提供適宜的工作溫度。
而一旦插入經典電子電路，它也會立即過熱，從而影響量子計算的準確性。
現在，這個問題可能已經有了解決方案。
新南威爾士大學團隊
來自澳大利亞新南威爾士大學的Andrew Dzurak和Henry Yang領導的團隊實現了超過1開爾文溫度下的單比特硅基量子處理器操作，實驗中進一步提升了量子比特品質，在硅-28純化硅單比特上實現了1.5開爾文下98.6%保真度。
“人們熟知的日常溫度概念很難感受 0.1 到 1.5 開爾文的提升，但在量子世界中，這意味我們正在走出極端。1.5 開爾文仍然是一個很低的溫度，但僅用幾千美元的製冷設備就可以達到這個溫度，而不需要花費數百萬美元將溫度降到 0.1 開爾文”，澳大利亞新南威爾士大學Dzurak 說。
Dzurak 教授團隊開發的處理器單元由兩個量子位組成，它們被置於嵌入硅中的一對量子點中（ a pair of quantum dots）。研究結果顯示，如果擴大處理單元規模，現有的硅芯片工廠就能完成。
代爾夫特理工大學團隊
另外，由代爾夫特理工大學的Menno Veldhorst領導的團隊在高溫量子比特上展示了通用邏輯門操作，實驗在1.1開爾文操作溫度下通過可調的交換相互作用實現了兩個量子比特的相干翻轉，並將單比特操作保真度提高到99.3%。
通過這項研究，該團隊還展示了控制兩個量子位系統的電子自旋的能力，此外還說明了自旋量子位的性能在45毫開爾文至1.25 開爾文的溫度範圍內受到的影響最小。
硅基量子比特體系具備足夠熱穩定性
這一系列的研究工作證實了硅基量子比特體系有足夠的熱穩固性來滿足超過1開爾文的環境下執行通用門操作。
這一特性對於可擴展量子計算體系有十分重要的意義，1開爾文溫區可以依靠簡單的
氦4泵浦製冷系統來實現，能夠提供高於稀釋製冷機數個量級的製冷功率，理論上可以完全解決量子芯片的熱負載問題，同時大幅降低設備要求。
本源量子第二代硅基自旋二比特量子芯片
1開爾文溫區硅基量子比特不僅使得量子比特數可以實現高度集成，同時也使得量子比特控制電路可以與量子比特集成在同一芯片上，減少電路熱噪聲影響，為實用化量子信息處理器實現提供了擴展方案。
中國科學技術大學教授，本源量子首席科學家郭國平團隊作為國內目前唯一一支專注硅基自旋量子比特體系的研究團隊，已深耕硅基自旋量子比特領域10餘年。
他認為：“提高目前量子計算的工作溫度，同時兼容現有半導體工藝，是實用化量子計算研發的大趨勢。”
在2020年國際固態電路年度會議（ISSCC-2020）上，荷蘭代爾夫特理工大學和法國CEA-LETI-MINATEC已經發布了用於量子計算的低溫控制電路相關研究工作。在當前趨勢下，硅基半導體體系已成為最有希望實現實用化量子計算機的物理體系。
Horse Ridge低溫控制芯片
在科技部、中科院、基金委等部門的大力支持下，特別是在“十二五”國家重點基礎研究發展項目（973項目）“固態量子芯片研究”、“十三五”國家重點研發計劃“半導體量子芯片”等項目支持下，郭國平教授團隊，作為國內目前唯一一支專注硅基自旋量子比特體系的研究團隊，從2005年開始，在半導體量子芯片的材料設計、量子比特邏輯單元的構造、量子調控電脈衝序列的設計、量子邏輯門的實現、多量子邏輯比特的擴展以及量子軟件、量子算法等方面積累了大量關鍵核心技術，並實現了硅基材料生長及硅基量子點的製備與單電子自旋操控。
當前，我們需要充分利用產線技術優勢，加速硅基量子比特的研發，推進量子比特低溫控制電路及其集成化的研究，為製備高性能硅基量子芯片，實現實用化量子計算機奠定堅實的基礎。
OriginQ量子測控總監說
這項突破至少有以下幾點顛覆性突破：
第一，極低溫下整個量子芯片及附加系統可允許的功耗天花板抬高了至少三個數量級；
第二，能夠提供相應制冷機的供應商名單，最起碼翻了十倍，並且國內就有，解除了壟斷和禁運的風險；
第三，這將直接允許量子計算系統在宇航場合下的應用；
當然，這並不會降低量子計算機的研製成本，畢竟絕大多數的投入，依然要落在量子芯片的研製和控制上。
這也不會意味著量子計算機問世的提前，哪怕半天。
前路漫長，依然需要腳踏實地地攻關。
閱讀更多 本源量子計算 的文章
