目前，絕大多數量子計算機必須在絕對零度(-273.15℃)以上的幾分之一度內（-273.05℃）才能工作，這就需要數百萬美元的製冷設備——稀釋製冷機。但是，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。
但是現在，這個問題可能已經有了解決方案。
今天，《自然》雜誌報道，澳大利亞與荷蘭的兩個團隊已經開發出了可以在1開爾文以上的溫度下工作的量子設備，這是量子計算機走向商用的一個重要里程碑。
澳大利亞新南威爾士大學Andrew Dzurak團隊與荷蘭代爾夫特理工大學Qutech團隊分別開發了一種基於硅量子點技術的量子計算設備，該設備可以在1開爾文以上的溫度下工作。
兩個團隊的成果在今天同一期《自然》雜誌上“背對背”發表。
削減製冷成本、擴展量子比特規模
1.5開爾文
“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。
1.1開爾文
荷蘭Qutech團隊Veldhorst的小組在1.1開爾文下利用兩個量子比特構建了邏輯門，並在此邏輯門上實現了更復雜的計算。
現在我們知道了量子比特本身可以在更高的溫度下工作，下一步就是將電子器件集成到同一芯片上。Veldhorst說：“我希望在有了該電路之後，將其擴展到實際應用中不會太難。那些量子電路在許多方面都將與我們用於傳統計算機的電路相似，因此與其他類型的量子計算機相比，它們可以相對輕鬆地進行規模擴展。"
他們是如何實現的？
硅中自旋的電子產生的量子比特（來源：UNSW）
新南威爾士大學驗證實驗的主導人 Henry Yang 博士表示，升溫實現的關鍵在於改進了讀取自旋的環節。
“一般來說，我們通過與自旋有關的隧穿來讀取電子的自旋，這依賴於大型的 electron reservoir 。但是在更高的溫度下，儲層的能量會變得模糊並且失去自旋依賴性。在這項工作中，我們通過隧穿兩個量子點之間的電子來讀取自旋信息，而不是儲層，而該過程對熱量具有很大的彈性”，
Henry 進一步解釋道：“首先，這意味著我們現在可以使用更簡單，更便宜的冷卻系統：一個泵加上裝有液氦（4He）的真空瓶系統就能降溫到 1.5 開爾文。
另一方面，用稀釋製冷機降溫到 0.1 卡爾文，必須仔細設計氦氣的兩種不同同位素（3He 和 4He）之間的接觸面和液比，並且需要多級溫控和多個泵。3He 也是非常稀有昂貴的氦同位素”。
而團隊的下一步目標，將是把該技術從大學的研發實驗室環境轉至面向全方位的 CMOS 硅芯片製造，挑戰把數百萬個硅量子比特集成在一個芯片上。
Henry Yang 和 Andrew Dzurak 教授（來源：Paul Henderson-Kelly）
中國科學技術大學教授、本源量子首席科學家郭國平認為：“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”
這項工作對於中國量子計算的發展來說是一個好消息。2019 年 12 月，美國商務部的一份內部文件提出，未來將限制向中國等美國在量子計算上的競爭對手出口稀釋製冷機。而在更高溫度下實現量子計算，顯然能幫助中國突破這一阻礙。
閱讀更多 本源量子計算 的文章
