量子比特是量子计算机中最小的信息单元。目前，开发这种功能强大的计算机的最大挑战之一是可扩展性。瑞士巴塞尔大学的一个研究小组与IBM在瑞士的一个研究实验室合作，在量子计算机的可扩展性挑战方面取得了突破。

量子计算机承诺能提供前所未有的计算能力，但迄今为止，量子计算原型机仅基于少数几个计算单元。开发新一代计算机的潜力需要结合大量的量子比特。

这是一个曾经影响过经典计算机的可扩展性问题。在经典计算机中，科学家是通过集成到硅芯片中的晶体管来解决这个问题的。现在，由巴塞尔大学的Andreas Kuhlmann博士和Dominik Zumbühl教授领导的研究小组已经提出了一种与经典硅晶体管在设计上非常相似的硅基量子比特。研究人员将他们的发现发表在近期的《自然电子学》杂志上。

在经典计算机中，可扩展性问题的解决方案在于硅芯片，其中包含了数十亿个“鳍式场效应晶体管”(FinFET)。由于这些FinFET足够小，因此可用在量子应用上。在接近绝对零度(0开尔文或-273.15摄氏度)的极低温度下，带负电荷的单个电子或带正电荷的“空穴”可以充当自旋量子比特。自旋量子比特以自旋向上和自旋向下两种状态存储量子信息。

Kuhlmann博士的研究团队开发的量子比特基于FinFET架构，并使用空穴来作为自旋量子比特。与电子自旋相比，硅纳米结构中的空穴自旋可以直接用快速的电信号进行操纵。

可扩展性的另一个主要障碍是温度。以前的量子比特系统通常必须在约0.1开尔文的极低范围内运行。控制每个量子比特需要额外的测量线缆，以将室温下的控制电子设备连接到低温恒温器(一个能产生极低温度的冷却单元)中的量子比特上。这些测量线缆的数量是有限的，而且每条线都会产生热量。这不可避免地会在布线中产生瓶颈，进而限制可扩展性。

绕过这个“布线瓶颈”是Kuhlmann研究小组的主要目标之一，最直接的方法是将用于测量和控制的电子设备直接内置到冷却单元中。巴塞尔大学物理系的Leon Camenzind博士说：“然而，集成这些电子设备需要在1开尔文以上的温度下运行量子比特，低温恒温器的冷却能力需要急剧增加，以补偿控制电子设备散发的热量。”

与Camenzind博士共同担任该研究主要作者的博士生Simon Geyer补充说：“我们的量子比特已经克服了4开尔文的温度限制，达到了液氦的沸点。在这种情况下，我们可以获得更大的冷却能力，并允许集成最先进的低温控制技术。”

使用经过验证的技术(如FinFET架构)来构建量子计算机提供了扩展到具有大量量子比特的潜力。Kuhlmann说：“我们在现有硅技术基础上的构建方法使我们更接近行业实践。”（编译:Qtech）