哥本哈根大学(UCPH)的量子物理学家正在报告丹麦在量子技术领域的一项国际成就。通过在同一个量子芯片上同时运行和控制多个自旋量子比特，他们克服了通往未来超级计算机道路上的一个关键障碍。这一结果预示着半导体材料将成为固态量子计算机的平台。

在大型功能性量子计算机的全球马拉松比赛中，重要的工程难题之一是如何同时控制大量量子比特。这是因为一个量子比特的控制通常会受到同时施加给另一个量子比特的控制脉冲的负面影响。现在，哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的一对年轻量子物理学家在Ferdinand Kuemmeth教授的带领下已经克服了这一障碍。

全球的量子比特研究基于各种不同的技术。虽然谷歌和IBM在基于超导技术的量子处理器方面取得了很大进展，但哥本哈根大学研究小组正在押注于半导体量子比特，它被称为自旋量子比特。研究成员Federico Fedele解释说：“从广义上讲，它们由被困在量子点(一种半导体纳米结构)中的电子自旋组成，因此可以控制各个自旋态并相互纠缠。”

自旋量子比特的优点是可以长时间保持其量子态。这使它们比其他类型平台能够更快、更完美的执行计算。而且，它们非常小，以至于与其他量子比特方法相比，可以将更多的自旋量子比特挤到一颗芯片上。量子比特越多，计算机的处理能力就越大。哥本哈根大学团队通过在单个芯片上以2x2的阵列制造和操作了4个量子比特来扩展现有技术。

迄今为止，量子技术的最大关注点一直是生产越来越好的量子比特。现在的关注点是如何让它们相互交流。研究人员Anasua Chatterjee解释说：“现在我们有了一些非常好的量子比特，新游戏规则是将它们连接到可以操作多个量子比特的电路中，同时也足够复杂以能够纠正量子计算错误。目前已有的技术，自旋量子比特的研究已经达到了电路能包含2x2或3x3量子比特阵列的点。但问题是它们的量子比特一次只能处理一个。”

正是在此问题上，这两位年轻的量子物理学家制成了一种由半导体物质砷化镓构成的量子电路，它的大小不超过细菌，但它使一切变得不同。该研究最近发表在《物理评论X量子》杂志上，Chatterjee是两位主要作者之一。她说：“我们芯片的创新之处和真正重要的事情是我们可以同时操作和测量所有量子比特。这在自旋量子比特和许多其他类型的量子比特中从未被证明过。”

能够同时操作和测量对于执行量子计算至关重要。事实上，如果你必须在计算结束时测量量子比特，也就是停止系统以获得结果，那脆弱的量子态就会崩溃。因此，测量同步至关重要，这便于所有量子比特的量子态能同时关闭。如果一个一个地测量量子比特，最轻微的环境噪声就可以改变系统中的量子信息。

该芯片中的4个自旋量子比特由半导体材料砷化镓制成。位于4个量子比特之间的是一个更大的量子点，它将4个量子比特相互连接起来，研究人员可以利用它来同时调整所有量子比特。

新电路的实现是半导体量子计算机漫长道路上的一个里程碑。负责这项研究的Kuemmeth教授说：“为了获得更强大的量子处理器，我们不仅要增加量子比特的数量，还要增加同时操作的数量，这正是我们该研究所做的工作。”

目前，他们工作的主要挑战之一是芯片的48个控制电极需要手动调谐，并且在环境漂移的情况下如何保持连续调谐，这对人类来说是一项繁琐的任务。这就是为什么Kuemmeth的研究团队现在正在研究如何使用优化算法和机器学习来自动调整。

为了制造更大的量子比特阵列，研究人员已开始与工业伙伴合作制造下一代量子芯片。总体而言，计算机科学、微电子工程和量子物理学的协同努力可能会将自旋量子比特带到下一个重要里程碑。（编译:Qtech）