“热量子比特”在这里——他们正在推动量子计算的未来

在过去的一个月里，世界各地的研究人员在量子比特(qubits)方面取得了里程碑式的发现。阻碍量子计算机进入商业领域的最大环境因素是量子比特对温度的容忍度很低;以前，它们只能在接近绝对零度的温度下工作。

这是因为存储量子态的量子位元如果被“观察到”或受到外部因素的影响就会崩溃。例如，一个光子撞击一个量子位元将导致它崩溃，并将抵消来自附近粒子的热振动。

这就是为什么许多科学家正在努力创造能在低温下运行的量子系统。这样的努力将使它们走出实验室，进入商业领域。在这篇文章中，我们将看看最近的科学研究，这些研究证明“热量子比特”，即使是在室温下，现在也是一个现实。

悉尼研究人员开创性的“热量子位”

来自悉尼新南威尔士大学的一个研究小组致力于解决绝对零量子位要求的问题，并可能有一个解决方案可以在普通硅上工作。测试装置是概念验证量子处理器单元可以在1.5开尔文的温度下工作。虽然这听起来仍然很冷酷，但仍是谷歌和IBM等其他公司的15倍。研究结果如下发表在自然。

新南威尔士大学悉尼分校的研究人员站在一台稀释冰箱旁，这台冰箱可以让量子位在极低的温度下工作。图片由悉尼新南威尔士大学

研究人员创造了可以与传统硅芯片协同工作的量子芯片。当这两个芯片在低温下相互放置时，它们可以控制量子计算的读写操作。

量子芯片置于传统硅芯片旁边的低温环境中。图片由悉尼新南威尔士大学

为了证明该设计的可行性，地球另一端荷兰的另一个团队使用同样的技术创造了一个热量子位，它的功能也如预期的那样。该设计利用了被限制在一对量子点中的两个量子位，它们都嵌入在硅中。

这项研究的突破性之处在于，其他实验室也可以用几千美元的设备复制这种温度的壮举。这意味着即使是小公司也可以访问他们自己的量子计算机。

这项技术可以使用硅技术，这意味着它可以很容易地集成到现有的电子设计中，将数据输入这样的系统并解释结果。

Intel和QuTech与UNSW在热量子位上同步发现

就在悉尼研究人员发表他们关于“热量子位”研究成果的同一天，英特尔公司也发表了自己关于热量子位的研究成果。英特尔是全球领先的处理器和内存技术供应商之一，该公司与QuTech合作进行生产可以在1.1开尔文温度下工作的“热量子位”。虽然没有新南威尔士州那么高，但使用低成本设备仍然可以达到1.1开尔文的温度(与绝对零度相比)。该项目的研究人员也表示他们的发现发表在自然。

该团队设计的量子位保真度为99.3%，即高质量的量子位，具有很大程度的态间量子分离。然而，当温度达到1.25开尔文时，自旋量子位的性能受到的影响最小。

一种同位素纯晶圆，英特尔用于在其300毫米工艺技术上创建自旋量子位制造流。图片由《瓦尔登湖》Kirsch /英特尔公司

该设计采用标准硅技术，通过使用电子自旋共振和使用泡利自旋阻塞方法读取来演示单量子位控制。该演示设备还显示了两个量子位的独立相干控制和0.5 MHz到18 MHz的可转换率。

由于量子比特可以集成到标准的硅技术上，英特尔和QuTech开发的量子比特可以将控制电路和量子处理器集成到单个设备上。

俄罗斯研究人员用室温量子位重新定义“热量子位”

当悉尼和英特尔团队已经创造出在高于绝对零度的温度下运行的量子位时，一个来自俄罗斯的团队与来自瑞典、匈牙利和美国的同事一起开发了一种方法制造业室温量子比特。

根据研究论文的自然通讯在美国，量子比特已经被证明可以在室温下与金刚石中的点缺陷相结合，这是通过用氮原子取代碳原子实现的。然而，生产这种钻石可能是一项昂贵的制造任务。这就是俄罗斯领导团队加强的地方。

研究人员发现，他们可以通过量子阱稳定点缺陷自旋量子位。图片由斯米

研究小组确定，当激光击中晶体中的缺陷时，碳化硅是金刚石的合适替代品。当受到光子轰击时，缺陷发光和由此产生的光谱显示出6个独特的峰(PL1到PL6)。

正是这些峰值显示了碳化硅用作量子比特的能力，因此需要什么样的结构。因此，他们制造室温量子位的方法将使用sic的化学气相沉积，这是一种低成本的金刚石替代品。

SiC用于量子量子位的发现已经导致了基于SiC的高精度磁力计、生物传感器和量子互联网技术。

热量子比特的未来

一种可以在一块硅上和现有组件一起工作的热量子位将给计算机行业带来革命性的变化。

虽然主流量子计算机还需要10年或20年的时间，但量子比特技术的这些进步表明，量子技术不会永远停留在实验室里，最终将向公众开放。量子技术将如何影响电子工程师仍然是未知的，因为我们不知道量子集成将走多远。

它们会被集成到微控制器中吗?设备需要部署量子安全吗?只有时间会告诉我们答案。