同期两篇 Nature：运行温度高于 1K 的量子计算平台问世！
做者 | 阳光
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来源 | 学术头条（ID:SciTouTiao）程序员
量子比特是量子计算的基本单位。就像经典计算模拟位同样，每一个量子比特都表征两种状态（0 或 1）进而造成二进制代码。然而，与位不一样的是，它能够同时显示两种状态，即所谓的 “叠加” 状态。
算法
量子计算平台有望在一系列重要问题上超越传统计算机，从精确的药物制造到搜索算法。然而，设计一种能够在真实环境中制造和运行的量子计算设备是一项重大的技术挑战。编程
因为热产生的振动会干扰量子比特进而影响其工做性能，现有的量子计算平台须要冷却至极低温度。通常来讲，平台须要在约 0.1K（开尔文）即零下 273.05℃的温度下运行，不然存储在这些量子比特中的量子信息一般很快就会丢失，而达到这种温度须要很是昂贵的成本和严苛的制冷技术。性能
上周三，《天然》杂志同时发表两篇论文，展现了能够在比现有技术高出数倍的温度下运做的量子计算平台。spa
德尔夫特理工大学 Menno Veldhorst 和他的研究团队制做了一个能在 1.1K 温度下运做的量子计算平台。.net
新南威尔士大学 Andrew Dzurak 和他的研究团队演示了一个能在约 1.5K 的温度下运做的量子计算平台。
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研究人员表示，虽然相对温升很小，但对于将现有原型机扩展至更大更强的量子计算机来说，研究结果或能带来重大的影响。同时，运行温度的提升表明着现有量子计算平台向实用性方面迈进的一个重要飞跃。设计
制约量子计算发展的温度3d
想象一下若是将量子处理器单元插入传统常温的电子电路它们会怎么样呢，答案显然是它们就会当即过热。
一直以来，温度是困扰量子计算平台获得大规模应用的难题之一。在世界范围内开发的大多数量子计算机只能以绝对零以上 0.1℃的温度下运行，而达到这个温度则须要数百万美圆的制冷设备。
所以一般来说，量子比特在特殊的 “冰箱” 中发挥做用，但它们仍由在室温下工做的传统电子设备控制，这也是阻碍技术进步的主要障碍。
如今，来自新南威尔士大学的 Andrew Dzurak 教授和德尔夫特理工大学的研究员 Menno Veldhorst 领导的研究人员已经分别必定程度上解决了这个问题。
Dzurak 解释道：“添加到系统中的每一个量子比特对都会增长产生的总热量，而且增长的热量会致使错误。这就是为何当前的设计必须保持接近绝对零度的主要缘由。”
同时，Dzurak 教授表示：“咱们的新成果为量子计算机从实验设备到价格合理的量子计算机开辟了一条道路，能够在现实世界的商业和政府中得以应用。”
2019 年 2 月，Dzurak 的研究小组首次经过学术预印本档案馆（Academic Pre-print Archive）公布了他们的实验结果。而在 2019 年 10 月，由 Dzurak 研究小组的前博士后研究员 Menno Veldhorst 领导的荷兰小组宣布了使用 2014 年在新南威尔士大学开发的相同硅技术的产生了相似结果。
世界相对两侧的两个研究小组对这种热量子比特（Hot Qubit）行为的确认，致使两篇热量子比特技术论文在今天的同一期《天然》杂志上同时发表。
硅基量子比特技术
与世界上正在探索的大多数设计不一样，在发表在《天然》杂志的两项独立研究，分别报道了在温度高于 1K（零下 272.15℃）的硅基量子计算平台上进行的原理验证性实验。
Menno Veldhorst 和他的研究团队制做了一个能在 1.1K 运做的量子电路，Andrew Dzurak 和他的研究团队演示了一个能在约 1.5K 的温度下运做的系统。
硅能把超过 1K 温度下正常运做的材料很好地与周围物质隔离开，所以这两项研究都将电子在硅中的自旋做为量子比特。在这种极低的温度下，“冰箱” 强大到能够容许引入局域电子来校订量子比特，研究人员认为这是将量子处理器扩展到百万量子比特的必要条件之一。
由 Dzurak 带领的研究团队开发的单元包含两个量子比特，它们被限制在嵌入硅的量子点中。这种硅材料扩大规模后可使用现有的硅芯片工厂进行生产，而且可使量子计算平台无需数百万美圆的冷却便可运行。使用硅的量子计算平台与传统的硅芯片集成起来也将更加容易，这将是控制量子处理器所必需的。
量子纠缠的艺术表现 图源：QuTech
研究人员在硅芯片上进行量子处理器单元的概念验证，其工做温度为 1.5K，比 Google、IBM 等公司使用超导量子比特技术开发的主要竞争芯片技术高出 15 倍。
Dzurak 解释说：“虽然这还是一个很是低的温度，可是仅用几千美圆的制冷价值就能够达到这个温度，而不是将芯片冷却到 0.1K，那将须要数百万美圆。虽然用咱们平常的温度概念很难理解，可是这种增加在量子世界中是极端的。”
德尔夫特理工大学博士生 Luca Petit 表示：“虽然温度的升高仅有一点，但就可用的冷却能力而言，这是一个巨大的飞跃。在这些温度下，量子比特再也不必须在真空中工做，而是能够浸入液体中，这使一切变得更加实用。”
研究人员相信，他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最困难的障碍之一。
团队制做的演示视频 来源：UNSW
量子集成电路的将来
研究人员认为，将工做温度提高至 1K 以上是一个重要的里程碑，由于冷却到这一临界值如下既具备挑战性同时成本高昂。
随着温度上升到 1K 以上，成本将大大下降，效率将显著提高。此外，使用硅基平台也是颇有诱惑力的选择，由于这将有利于使平台集成使用现有硅基硬件的经典系统中。
举个简单的例子，可以执行设计新药物所需复杂计算的量子计算机，将须要数百万个量子比特对，数百万个量子比特的需求对设计人员提出了巨大挑战。
当扩大量子比特的数量时，量子比特和电子器件之间的分离会引发问题。目前，须要一条单独的电缆将每一个量子比特链接到其控制电子设备上。当得到一台工做的量子计算机所需的数百万个量子比特时，这再也不可行。
在超低的温度下，维持量子计算机有足够的量子比特以供使用的前景使人望而生畏，缘由在于这项技术成本高昂，而且将制冷技术推向了极限。
对于量子计算平台将来的发展道路，Veldhorst 表示，如今量子技术的情况与在 20 世纪 50 年代的计算机技术类似。
“那时，每一个元器件都必须焊接在一块儿，这对于愈来愈大的电路需求来讲是不可行的。这个问题的解决方案是集成电路。它使得直接在芯片上构建组件成为可能，最终使数十亿晶体管被放置在同一个芯片上。”
Veldhorst 补充道：“咱们正在努力创建一个包含愈来愈多高质量量子比特的系统。工做在 1.1K 的温度下有极大的好处，咱们如今能够开始考虑将量子硬件和经典硬件集成到一个芯片上。在这样作的过程当中，咱们将创造量子集成电路。”
“ 2015 年，咱们首次展现了两个可验证的硅量子比特。如今到 2020 年，咱们已经在实际温度下取得了一样的成就。再过五年，咱们可能已经有了量子集成电路。那将是迈向将来量子计算平台的一大步。”
参考资料：
https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-04/uons-hqb040820.php
https://qutech.nl/hot-dense-and-coherent-scalable-quantum-bits-operate-under-practical-conditions/
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2171-6
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2170-7
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