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矽量子計算機晶片完整設計首次亮相,通用量子計算迎來新進展


- 2018年6月21日02時26分
- 科學文摘 / DeepTech深科技

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世界各地的研究團隊都在想方設法設計出一種能整合量子交互作用的量子計算晶片,目前,新南威爾斯大學(UNSW, University of New South Wales)的工程師們相信他們已經解決了這個問題。通過重新構思矽微處理器,UNSW

的研究團隊提出了一種在當前工業水平下可量產的完備量子計算晶片設計。


該設計已被發表在「自然通訊(Nature Communications)」雜誌上,其中詳細介紹了一種基於現有的半導體元件(稱為 CMOS,互補金屬氧化物半導體,構成所有現代晶片的基礎)進行量子計算的新穎架構。該設計由 UNSW 澳大利亞國家製造設施主管 Andrew Dzurak 和那篇自然通訊雜誌論文的主要作者,UNSW 研究員 Menno Veldhorst

博士共同完成。

矽量子計算機晶片完整設計首次亮相,通用量子計算迎來新進展圖片

圖 | 新南威爾斯州矽量子計算機晶片想像圖

代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)與荷蘭應用科學研究機構(TNO, the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research)的一個合作項目,QuTech 公司的量子技術團隊領導者,Veldhorst

表示,這種新設計的強大之處在於,它第一次繪製出了一個通向製造包含數以百萬計量子比特的晶片的可行道路。


Veldhorst 說:「量子計算機能通過利用量子效應解決當前計算機晶片無法解決的一些重要問題,如氣候變化或癌症等複雜疾病這種全球性問題。而若要解決這類問題,則需數百萬個量子比特一起工作,為此,我們需要將量子比特集成在一起並進行整合,就像現代微處理器晶片一樣,這就是新設計所要達成的目標。」

「我們的設計採用傳統的矽電晶體開關,通過基於網格的『字(word)』和『位 (bit)』選擇協議(與用於在傳統計算機存儲器中選擇 bits 的協議類似),以在龐大的二維陣列中的量子位之間」開啟「量子位(即量子比特)間的相互作用。通過選擇一個量子位上的電極,我們可以控制一個量子位的自旋,該量子位存儲一個 0 或 1

的量子二進位碼。而通過選擇量子位之間的電極,我們可在量子位之間執行兩個量子位邏輯交互或計算。」

矽量子計算機晶片完整設計首次亮相,通用量子計算迎來新進展圖片

圖 | 位於下方的矽量子晶片上的量子位與位於上方的 CMOS 架構相互作用

量子計算機能通過利用量子物理學中的兩個怪異原理,「糾纏(entanglement)」和「疊加(superposition)」,以指數形式擴展計算機的處理速度。因為量子比特可以同時存儲 0,1

的任意組合。正是由於量子計算機一次可以存儲多個值,所以量子計算機可以同時處理它們,一次執行多個操作。

這將使量子計算機在解決一系列重要問題時比傳統計算機快數百萬倍。對於一些具有挑戰性的問題,量子計算機可以在幾天,甚至幾個小時內就找到解決方案,而當今最好的傳統超級計算機則需要數百萬年。設計並建造一個這種真正意義上的通用量子計算機被稱為「21

世紀的太空競賽」。

然而,為了解決這些有挑戰性的問題,一台通用型的量子計算機往往需要大量數目的量子比特,很可能是幾百萬個。但目前我們所知的所有類型的量子比特都是非常脆弱的,因此任何微小的計算錯誤都可能給最終結果帶來不可忽視的影響。

Dzurak

說:「所以我們需要使用糾錯碼,糾錯碼用多個量子比特來存儲單個數據。而我們的晶片設計中整合了一種專為自旋量子比特設計的新型糾錯碼,並涉及數百萬個量子位的複雜操作協議。這是第一次將所有控制和讀取數百萬個量子位所需的常規矽電路集成到單個晶片上的嘗試。雖然該設計在走向量產的道路上仍然需要進行一些修改,但量子計算所需的所有關鍵組件都在一塊晶片上,能使真正意義上的量子計算機(比傳統計算機的運算快的多)成為可能。」

目前至少有五種主要的量子計算機構建方法:矽自旋量子位,離子阱,超導環,鑽石空位和拓撲量子位; 新南威爾斯大學的設計基於矽自旋量子比特。目前,所有這些方法的主要問題是,沒有明確可行的方法能在使量子比特的數量達到所需的數百萬個的同時,不需要把計算機變成一個龐大複雜的系統,不需要龐大的支持設備和昂貴的基礎設施。


而這也正是 UNSW

提出的新設計令人興奮的原因:它依靠矽自旋量子比特方法,已經能夠模擬晶片中的大部分固態器件(全球半導體行業的核心)。同時,它還包含了將矽自旋量子比特糾錯碼整合到現有的晶片設計中的可行方法,實現真正的通用量子計算。

與其他主要研究團隊不同的是,該量子計算與通信技術中心的量子計算工作著重於製造全球所有計算機晶片的矽片固態器件。他們並不只是將更多的量子比特組合到一起,而是旨在構建一種容易製造並可被量產的設計。

Dzurak 說:「雖然目前大家都對量子此避而不談,但是對於大規模的量子計算來說,我們需要的是數百萬個量子比特。而這次的新設計展示了一種可以大規模擴大量子位數量的方法,這就是關鍵。」

該新型設計是矽自旋量子比特設計方法的一次飛躍。而也就是在兩年前,在「自然(Nature)」雜誌上的一篇論文中,Dzurak 和 Veldhorst 才剛剛第一次展示了通過創造了一個雙量子位邏輯門,量子邏輯計算在矽器件中的完成過程。

UNSW 工程院院長 Mark Hoffman

表示:「這是通向通用量子計算機的重要一步,它首次展示了如何將這一革命性的量子計算概念轉化為一個實際的設備,而該設備僅使用現代計算機的構成組件就能被製造出來。我們一直在實驗室對該設計進行測試,測試結果很好。我們只需繼續努力就行了,但這仍然是一個挑戰。將量子計算帶入商業現實仍需一個漫長的過程,而量子計算與通信技術中心的團隊所提出的新設計無疑將會引領這一過程。」

自然通訊雜誌上論文的其他作者包括量子計算與通信技術中心的 Henry Yang 和 Gertjan Eenink,其中後者已經加入了 QuTech 的 Veldhorst 的團隊。

新南威爾斯大學(UNSW),澳大利亞電訊公司以及澳大利亞聯邦銀行與新南威爾斯州政府之間簽署了一項價值 8300 萬澳元的協議,計劃在 2022 年前在矽晶片上開發出一個 10-bit 原型矽量子集成電路。

在今年 8 月,該計劃成立了澳大利亞第一家量子計算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd,以推動團隊獨特技術的開發以及商業化。新南威爾斯州政府投入了 870 萬澳元,新南威爾斯大學投入 2500 萬澳元,澳大利亞聯邦銀行投入 1400 萬澳元,澳大利亞電訊公司投入 1000 萬澳元,澳大利亞政府投入 2500 萬澳元。


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