量子计算机再次突破，新型量子位稳定性获得10倍提升

　　

　　 量子计算机（Quantum Computer）号称是 “21世纪的太空竞赛” ，是一场划时代的科学革命。量子计算机具有强大的计算能力，可以解决传统计算机难以或者不能解决的问题，例如，设计复杂药物和先进材料、大型数据库搜索等。

　　 目前， 量子计算机的最大挑战在于如何最大限度的长时间保留其量子态叠加 ，因为这将有利于保留更长时的量子信息，从而有助于开发更可靠的超级量子计算机。

　　 高频振荡电磁场中的单个硅原子电子自旋。图片来源：Arne Laucht/UNSW

10月17日，《Nature Nanotechnology》在线发表了澳大利亚新南威尔士大学（简称UNSW）最新开发的新型量子位（也称量子比特）的相关论文。

　　UNSW量子计算与通讯技术中心（CQC2T）的项目经理安德鲁·莫雷罗（Andrea Morello）领导了相关研究，他们利用置于高频振荡电磁场下的单个硅原子电子自旋态，获得了目前为止保留时间最长、最稳定的量子态叠加，其退相时间（dephasing time）为 T2ρ* =2.4毫秒， 稳定性获得了10倍的提升 。

　　量子计算机的超强计算速度和能力主要依赖于其可以 同时存储初始状态的多种量子态叠加，n位量子存储器的存储能力是传统计算机的2n倍。 正是基于 量子态叠加 原理，量子计算机具有巨大数据存储能力，进而能够进行高效率的并行计算。

　　

　　 量子位器件的SEM（扫描电子显微镜）图片：红色代表各种“调频门”（tuning gates），蓝色代表“微波天线”（microwave antenna），黄色代表用于读出自旋态信息的“单电子晶体管”。图片来源：GuilhermeTosi& Arne Laucht/UNSW

　　莫雷罗团队为此已经进行了长达十年的研究，目前已经能够通过在静态磁场中，利用硅芯片单个磷原子的电子自旋态编码量子信息，建立了 目前量子态叠加保留时间最长的固态器件量子位。

　　这次，该团队又进一步提高了量子位的稳定性能，提出了新的量子信息编码方法：新型量子位是由单个硅原子的自旋态组成，该原子处于微波频率下不断振荡的高强电磁场中。 当电子与外加磁场耦合后，量子位也被重新定义――量子位的两个状态不再简单是电子的自旋方向，而是相对于耦合磁场的“对称”与“不对称”。

　　结果十分震撼：由于由微波产生的电磁场不断以高频振荡，任何非同频率的噪声或扰动的最终净效应都为零， 最终获得的量子态叠加保留时长整整提升了10倍！ 具体来说，实验获得的退相时间（dephasing time）为 T2ρ* =2.4毫秒，相比于标准量子位性能优异10倍，这就使得量子态叠加稳定保留更长时间，从而允许进行更多的计算操作。

　　

　　论文的第一作者、UNSW电气工程与通信学院研究员阿尔纳·劳赫特（Arne Laucht）说：“新型量子位实现了单个电子的自旋态与高频振荡电磁场耦合。耦合后的量子位，相比于单独的电子自旋，获得的功能 更通用、更稳定，这将有助于开发更可靠的量子计算机 。”

　　

坠饰量子位和裸量子位的量子态对比

　　这种 高频振荡强电磁场下的单原子的电子自旋耦合成的量子位称为“缀饰量子位”（dressed qubit） ，相比于 “未修饰”（undressed）的“裸量子位”，新型量子位能够 提供更多的量子态 控制方法 。比如，通过 简单地调整微波电磁场 的频率就能控制相应的量子态叠加，就像调频收音机（FM Radio）一样。相反，“裸量子位”控制方法则需要调节控制场的开关，就像调幅收音机（AM radio）一样。

　　从某种意义上来说，这也是为什么“缀饰量子位”更不易受到噪声的干扰： 量子信息由频率控制，而频率非常可靠 ；相反，幅值则更容易受到外部噪声的影响。

　　另外，Laucht团队的量子位器件是基于标准硅芯片技术构建的，所以该新型量子位技术有望 基于传统电子计算机的现有制造工艺开发出强大、可靠的量子处理器（quantum processors） 。

　　目前，UNSW与其科研人员、企业以及澳大利亚政府 已达成7000万美元的协议开发原型硅量子集成芯片 ，作为建造全球首部硅基量子计算机的第一步。而莫雷罗团队作为硅基量子计算技术的全球领先者，理所当然是其中一员。

　　量子计算机能够大幅度提升特定复杂计算任务的速度和效率，在一些重点领域，例如大型数据库搜索、复杂方程组求解以及原子系统建模如生物分子或药物分子建模等， 量子计算机将远远超越当今的传统计算机 。而且，量子计算机在金融、信息技术和医疗保健业等各行各业都有潜在的巨大应用，对于政府、安保以及国防等机构也大有裨益。

　　量子计算机的最大优势还在于，它的超强超快计算能力将十分利于新药开发， 通过加速电脑辅助制药化合物的设计过程 来减少费时费力的试错测试。

　　此外，量子计算机还能 加速开发更轻更强韧的新型材料 ，广泛应用于从消费电子到飞行器设计等领域。更不用说，还能为未知领域的探索提供新的计算方法和应用。

　　 参考：A. Laucht, A dressed spin qubit in silicon, Nature Technology 2016, DOI:10.1038/NNANO.2016.178.

招聘

编辑、视觉设计、 实习生（编译）

地点：北京

联系：hr@mittrchina.com

MIT Technology Review 中国唯一版权合作方，任何机构及个人未经许可，不得擅自转载及翻译。

分享至朋友圈才是义举