Nature子刊：新突破！集成量子芯片成为可能

照片上从左到右依次是Bas Hensen博士，Dzurak教授，Kok Wai Chan博士，以及论文的第一作者，前博士生Michael Fogarty博士。图片来源：Paul Henderson-Kelly

应用于药物设计或机器学习等解决复杂问题的量子计算机，需要数以百万计的量子位以集成方式连接，并被设计成用于校正脆弱量子系统中不可避免出现的错误。

日前，澳大利亚的一个研究小组已经在硅芯片上实验性地实现了这些功能的关键组合，使通用量子计算机的梦想更接近现实。

研究人员展示了一个集成的硅量子位平台，它结合了单自旋可寻址性，即在不干扰周围的情况下确定单个自旋量子位信息的“写入”和“读出”过程，这对于量子纠错至关重要。

此外，该集成新设计可以通过现有计算机行业中的成熟技术来制造。

该小组由悉尼新南威尔士大学的科学教授Andrew Dzurak领导，他是量子计算和通信技术卓越中心（CQC2T）的项目负责人，也是澳大利亚国家制造设施NSW节点的主任。

去年，Dzurak和同事们发明了一项新型芯片结构的设计，该设计允许使用硅CMOS（互补金属氧化物半导体）组件（所有现代计算机芯片的基础）进行量子计算。

其发表在Nature Communications杂志上的新研究中，研究小组首次将两种基本的量子技术结合起来，证实了此方法的前景。Dzurak的团队还展示了集成的硅量子位平台可以以单自旋可寻址性的操作，即在不干扰其周围的情况下单个自旋的能力。

目前，研究人员表明，结合这种特殊的量子读出的过程称为“Pauli spin blockade”，这是量子纠错码的关键要素，对于大型的基于自旋的量子计算机来说，量子纠错码是确保精度所必需的。量子位的读出与控制技术的新组合是其量子芯片设计的核心特征。

Dzurak说：“我们已经在硅量子位元器件中实现泡利自旋读出的操作，我们也首次进行了自旋共振进行控制的自旋。”

这对我们利用自旋量子位进行量子纠错是一个重要的里程碑，这对于任何通用量子计算机都是必不可少的。

“量子纠错是创建大规模有用量子计算的关键要求，因为所有的量子位都是薄弱的，并且当错误出现时，就需要对错误进行纠正，”主要作者Michael Fogarty说，该研究也作为Michael Fogarty与Dzurak教授（新南威尔士大学）的博士研究项目的一部分。

Fogarty说：“但是，为了使系统正常工作，就需要大量的物理量子位元。”

Dzurak说：“通过使用硅CMOS技术，我们有一个理想的平台来扩展到数百万个我们需要的量子位，并且我们最近的结果为不久的将来实现自旋量子位误差校正提供了方法。”

这是我们走在正确轨道上的又一个证明。此外，到目前为止，我们在新南威尔士大学开发的体系结构，没有显示出开发工作量子计算机芯片的障碍。更重要的是，它可以使用完善的工业流程和组件来制造。

CQC2T硅的独特使用方法

对于硅的研究工作很重要，不仅因为硅元素廉价而丰富，而且它已经占据全球计算机工业的中心近60年。硅的性质是众所周知的，而且包含数十亿个传统晶体管的芯片通常都是在大型生产设备中制造的。

三年前，Dzurak的团队在Naturethe杂志上发表了第一篇在硅器件中演示量子逻辑计算的文章，其中创建了两量子位逻辑门——量子计算机的中心构件。

新南威尔士大学工程学院院长Mark Hoffman教授说：“这是第一步，也是将量子计算这一激进概念转化为一种实用的设备的第一次演示。我们的团队现在已经有了一个蓝图来放大这一步。我们已经在实验室里测试了该设计，结果非常好。我们只需要继续努力，虽然这仍然是一个挑战，但基础是存在的，而且非常令人鼓舞。”

他补充说：“将量子计算应用于商业化仍然需要大量的工作，但显然CQC2T这个非凡的团队将澳大利亚推向了该研究领域的领头羊位置。”

该文章的其他作者包括新南威尔士大学的研究人员Kok Wai Chan，Bas Hensen，Wister Huang，Tuomo Tanttu，Henry Yang，Arne Laucht，Fay Hudson和Andrea Morello，以及QuTech和TU Delft的Menno Veldhorst，Thaddeus Ladd of HRL实验室和日本庆应义塾大学的Kohei Itoh。

CQC2T知识产权的商业化

2017年，一个由澳大利亚政府、工业和大学组成的财团成立了澳大利亚第一家量子计算公司，将CQC2T世界领先的知识产权商业化。

在新南威尔士大学的新实验室之外，硅量子计算Pty有限公司（SQC）的目标是到2022年在硅中制造10量子位中的演示装置，作为创建基于硅的量子计算机的先驱。

Dzurak和他的团队的工作将是实现他们雄心壮志的一小步。新南威尔士大学CQC2T的科学家和工程师正在开发利用单原子和量子点量子位的平行专利方法。

2018年5月，当时的澳大利亚总理Malcolm Turnbull和法国总统Emmanuel Macron宣布签署一项MoU备忘录，以解决SQC与世界领先的法国研究开发组织Commissariat之间的新合作。

MoU备忘录概述了在硅-CMOS量子计算技术上组建合资企业的计划，将法国和澳大利亚开发量子计算机的努力结合起来，以加快和集中技术发展，以及抓住商业化机会。

拟议中的澳大利亚-法国合资企业将新南威尔士大学的团队与CEA的 Maud Vinet博士领导的团队聚集在一起。Maud Vinet博士是先进CMOS制造技术方面的专家，最近还演示了用格勒诺布尔的工业规模原型设备制造的硅量子位。

据估计，占澳大利亚当前经济约40%的行业可能会受到量子计算的重大影响。

可能的应用包括软件设计、机器学习、调度和后勤规划、财务分析、股票市场模型、软件和硬件验证、气候模型、快速药物设计和测试以及早期疾病检测和预防等。

原文题目：Integrated quantum chip operations possible, tests show，原文来自：sciencedaily，由材料科技在线团队编译。