Nature罕見同期發兩篇“相似”量子成果，相關研究取得突破
4月16日發表在《自然》雜誌的一篇研究，演示了一種可在目前技術能及温度（0.1K）的15倍温度（1.5K）下運作的量子計算平台。儘管這一升温幅度看似並不高，但該研究提出的“熱量子位”方案給工程上帶來的便利，或將改變量子計算的發展。
《中國科學報》第一時間連線了這篇論文——《硅基量子芯片在高於1K温度下的一種運作方式》（Operation of a silicon quantum processor unit cell above one kelvin）的第一作者楊智寰（C. H.Yang）。他是澳大利亞新南威爾士大學電氣工程與電信學院的量子實驗科學家兼工程師。
楊智寰（左）和Andrew Dzurak 圖源：Paul Henderson-Kelly
從0.1K到1.5K
楊智寰提供給記者的一份解讀材料中顯示，目前國際上正在開發的大多數量子計算機只能在絕對零度以上的幾分之一度內工作，主要原因在於添加進系統的每個量子比特都會產生熱量，而熱量的增加會干擾量子系統進而導致系統失穩。
一般而言，固態（如超導或半導體電路）平台需要約0.1K（—273.05℃）的温度下運轉，而這需要投入數百萬美元開發接近極限的製冷技術——即便如此，將它們插入常規電路後，它們也會立即因過熱停止運作。
楊智寰和同組教授Andrew Dzurak領導的研究團隊就為解決這一問題提供了一個可行的“熱量子位”方案，並在論文中給出了驗證。
“我們用的是硅基MOS（金屬—氧化物—半導體）的量子點——這是當今絕大部分芯片的技術——在選材上使用的硅-28同位素，這是一個很好的無自旋材料，它可以令電子的自旋存活更久。”楊智寰告訴《中國科學報》：“得以將平台温度提升，主要依賴於我們讀取電子自旋的方式改變。”
他告訴《中國科學報》，此前讀取電子自旋是通過電子隧穿到一片二維電子氣（2DEG）的方式，這種方式在温度提升時容易因“能量模糊”導致無法讀取電子自旋信息。
在此次的試驗設計中，他們設計了一種由兩個量子比特組成的“單位晶胞”，並將它們限制在一對嵌入硅的量子點中。“這樣我們可以利用兩個量子點之間的‘泡利自旋阻塞’（Pauli Spin Blockade）特性來讀取電子自旋信息，試驗也證實了在温度稍高的環境下仍能繼續作用。”
量子計算入門瓶頸因此降低
“温度提高後，可以取得許多優勢。”楊智寰對記者説，其一，不受超冷條件的制約，意味着不再需要複雜且昂貴的“稀釋冰室”系統來運作量子比特；其二，可以有更強大的冷卻功率，這意味着“將低温操作電子元件直接整合於量子比特芯片上不再是夢”。
這兩項好處，都能大大降低開發工程的難度和成本。楊智寰解釋説，雖然温度“只”提升15倍，但散熱的冷卻功率可提升上千倍之多，這給製冷機的壓力就小很多：“當今量子計算很大的入門瓶頸就是在製冷機，製冷機壓力小了，也能讓更多的研究團隊參與進來。”
也就是説，在這一精妙解決方案的實施下，温度放大的結果可以使用現有的硅芯片工藝進行生產量子芯片，並且無需數百萬美元的冷卻系統即可運行；同時，它與傳統的硅基芯片也更容易集成——而這將是控制量子處理器所必須的。
該成果的取得引起了業內人士的高度關注。南方科技大學量子科學與工程研究院副研究員賀煜稱該成果是“硅量子計算又一突破”，他告訴《中國科學報》：“1.5K下可以工作的量子比特，對於用製冷機的人來説可以稱得上‘高温’。澳大利亞專注硅基量子計算20年，最近幾年終於連續取得突破，獲得多個重要成果，成為國際上硅量子計算領先的一支力量。”
中科院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星表示“1.5K這個温區製冷機也好做很多”，另外一位要求匿名的專家則評價説“硅（量子芯片）可直接利用強大的半導體工業技術，這是最關鍵的”。
《自然》同期“背靠背”刊文有深意
值得一提的是，楊智寰、Andrew Dzurak等領銜的這一研究並不是《自然》本週刊登的唯一關於“熱量子位”的文章。《自然》刊發的另一篇文章《熱硅量子位中的通用量子邏輯》（Universal quantum logic in hot silicon qubits），使用相似的硅技術取得了類似的結果（製作了一個能在1.1K温度下運作的量子電路）。
楊智寰告訴《中國科學報》，上述論文作者第一作者Menno Veldhorst是Dzurak小組的前博士後研究員，兩個原理性試驗雖然獲得成果的時間不同（Dzurak小組的成果取得於2019年2月，Menno小組的成果取得於2019年10月），但它們相互獨立、相互印證。
兩篇“相似”論文得以能夠在同一期《自然》雜誌“背對背”發表，也表明了相關成果的突破性。論文的研究人員認為，他們已經克服了阻礙量子計算機成為現實的最艱鉅的障礙之一。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2171-6
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2170-7