来自悉尼新南威尔士大学的量子工程师在量子计算技术方面取得了重大突破，他们解决了一个长期以来困扰着科学家的问题，并且直到现在都是下一代计算机发展的主要障碍。他们所研究的问题涉及自旋量子比特，它是硅量子处理器中的基本信息单元。但首先我们要了解的是，什么是硅量子处理器？

在经典计算机中，信息用硅中的电荷来表示；而量子计算机，信息将通过“自旋”来传递，自旋是电子或原子赋予信息磁性的特性。硅量子处理器是量子计算机的核心，而“自旋量子比特”是通过其中电子自旋传递信息的基本单元。

该团队取得的突破涉及这些自旋量子比特，传统的方法控制这些自旋量子比特是劳动密集型的技术。新南威尔士大学该团队的首席研究员Jarryd Pla说：“到目前为止，控制电子自旋量子比特依赖于我们将电流通过量子比特旁边的电线来传递微波磁场。”

他接着说：“如果我们想要扩展到量子计算机能解决全球重大问题(例如新疫苗的设计)所需的数百万个量子比特，这将带来一些真正的挑战。首先，磁场会随着距离的增加而迅速衰减，所以我们只能控制那些最靠近导线的量子比特。这意味着随着我们引入越来越多的量子比特，我们需要添加越来越多的电线，这将占用芯片上的大量空间。”

而且由于芯片必须在低于-273°C的冰冷温度下运行，Pla表示，引入更多的导线会在芯片中产生过多的热量，从而干扰量子比特的可靠性。“所以，我们又回到了用这种导线技术只能控制几个量子比特。”

为了规避这个问题，该研究团队意识到他们需要重新构想硅芯片的结构。他们建议在芯片上方制造一个可以同时操纵所有量子比特的磁场，而不是使用导线。使用磁场同时控制所有量子比特的构想最早是在上世纪90年代提出的，但直到现在都还没有人开发出一种实用的方法来做到这一点。

Pla说：“首先，我们移除了量子比特旁边的导线，然后想出了一种在整个系统中传递微波频率磁控制场的新方法。原则上，我们可以提供多达400万个量子比特的控制场。”

Pla和该团队随后在硅芯片正上方引入了一个新组件，它是一种被称为介电谐振器的晶体棱镜。当微波进入谐振器时，它会将微波的波长聚焦到更小的尺寸。该介电谐振器将波长能缩小到1毫米以下，因此研究人员现在可以非常有效地将微波功率转换成能控制所有量子比特自旋的磁场。

“这里有两个关键的创新。首先，我们不必投入大量的能量来为量子比特提供强大的驱动场，这意味着我们不会产生太多热量。第二个是整个芯片的磁场非常均匀，因此数百万个量子比特都能被相同级别的磁场控制。”

该团队还与新南威尔士大学Andrew Dzurak教授合作，Dzurak教授的团队在过去十年中使用与制造传统计算机芯片相同的硅制造技术展示了第一个也是最准确的量子逻辑比特。

Dzurak说：“当Jarryd带着他的新想法来找我时，我完全被震惊了……于是我们立即开始工作，看看我们该如何将它与我的团队开发的量子比特芯片集成在一起。"“当实验证明获得成功时，我们欣喜若狂。如何控制数百万个量子比特的问题一直困扰着我很长时间，因为它是构建全尺寸量子计算机的主要障碍。”

该团队希望利用这项创新来简化量子计算机的设计。Dzurak说：“移除芯片上的控制线可以为额外的量子比特和构建量子处理器所需的其他电子设备腾出空间。它让生产具有数十个量子比特设备的下一个任务变得更加简单。”

Pla说：“虽然在制造具有100万个量子比特处理器之前还有一些工程挑战需要解决，但我们对现在有办法能控制它们感到非常兴奋。”

这并非是悉尼新南威尔士大学的量子工程师在迈向量子未来的旅程中第一次获得里程碑式的成果。早在2020年4月，由Dzurak教授领导的团队发布了一个概念性验证的量子处理器单元，它可以让量子计算机在1.5K的温度下工作，这比量子处理器以前工作时的温度高出15倍(通常，量子计算机只需要比绝对零度高出几分之一度就可以正常工作)，从而减少了对耗资数百万美元的制冷设备的需求。

量子计算机成为实用的、可扩展的现实时，将允许以极快的速度解决问题、处理大量数据，而普通计算机需要更长的时间。潜在的应用范围可以从创造新的新医疗方法到为金融工具定价等。（编译:Qtech）