在为超越半导体的物理限制而开发的大量替代计算方法中，量子计算仍然是一个突出的研究领域，顶尖大学和价值数十亿美元的公司正致力于实现这项技术有望实现的功率和性能。

在这篇文章中，我们将研究来自著名大学和研究机构的三篇科学论文。这些论文的共同点是克服这些问题，并在扩展量子处理器方面迈出下一步。

 

半导体量子位的传输

9月，亚琛工业大学和德国Jülich研究所的物理学家在研究一种增加量子处理器中量子位数量的新方法时，发表了他们关于为携带量子信息的粒子开发稳定传输过程的发现。

 

Shown here is the semiconductor quantum chip with quantum bus, the result of the JARA cooperation of Jülich Research Institute and RWTH Aachen University.

这里展示的是带有量子总线的半导体量子芯片，这是Jülich研究所和亚琛工业大学JARA合作的成果。图片由Jülich研究所/Sascha Kreklau提供

 

Lars Scheiber博士领导的团队使用硅和锗自旋量子位（基于电子和电子空穴自旋的量子位），创造了一种“量子总线”，能够在560纳米的距离上传输5000次电子，而不会遇到任何重大错误。

与其他需要精确信号调整和复杂控制电子设备的操纵电子的方法相反，亚琛RWTH和Jülich团队提出的方法实现了一个简单得多的系统，只使用四个正弦波作为控制信号，产生一个势波，根据科学家的说法，电子可以在势波上简单地“掠过”干扰。

尽管减少干扰解决了量子计算中最大的挑战之一，但Scheiber博士的团队尚未在实践中证明，他们的量子位在传输后保留了电子自旋编码的数据，然而他们的理论计算证明，在特定的电子速度范围内使用硅是可能的。

“量子总线”最初是欧洲QuantERA联盟的一部分，目前是十多项已申请专利的基础，这些专利显示出了有希望的结果，因为它可能拥有一次连接和控制数百万量子位的关键，而不需要当前量子计算机设计所依赖的大规模基础设施。

 

增加互连自旋量子位的数量

早在9月，来自代尔夫特大学量子计算研究所QuTech的一组科学家宣布了他们在开发一种新的基于硅的量子处理器缩放方法方面的发现。

Lieven Vandersypen教授领导的团队使用间隔90纳米的电子量子点阵列创建了一个六自旋量子位硅芯片，形成了一种非常类似传统半导体晶体管的形状。

 

Image of the six qubit quantum processor. The qubits are created by tuning the voltage on the red, blue, and green wires on the chip.
六量子位量子处理器的图像。量子位是通过调整芯片上红色、蓝色和绿色导线上的电压而产生的。图片由QuTech提供

 

根据这篇研究论文，这种结构可以使用微调的微波辐射、磁场和电势来控制，用于在单个量子位上读取和写入信息，并使它们相互作用，形成量子逻辑门和每个两到三个电子的纠缠系统。

通过这样做，Lieven Vandersypen教授的芯片在量子比特的通用操作、状态准备和测量方面取得了令人尊敬的可信度，同时与其他架构相比降低了错误率，这是朝着创建基于硅的容错量子计算机迈出的有价值的一步。

这项研究与其他研究的不同之处在于，QuTech团队能够保持精度，同时增加使用熟悉的半导体制造方法生产的芯片上的量子位数量，而超导量子计算机需要更复杂的基础设施来开发。

 

缩放受量子启发的处理器

该领域的另一个突破来自东京科学大学（TUS）。由Kawahara Takayuki教授领导的研究团队正在研究一种新的方法，该方法于9月宣布，旨在开发一种可扩展且完全耦合的受量子启发的设备。这种设备简称为退火处理器或退火器。这篇论文发表在《微处理器与微系统》杂志上。

虽然退火器不一定利用粒子的量子特性，但通过模拟伊辛模型的行为，换句话说，描述相互作用磁体的自旋，退火器能够有效地解决投资组合、物流和交通流优化等问题。

Kawahara教授的架构是在28纳米CMOS逻辑（模拟退火，而不是量子退火，如D-Wave的量子退火器研究）中开发的，具有512个完全耦合的自旋，于2020年首次在IEEE SAMI会议上提出，尽管当时由于单个自旋之间的互连数量，这种设计很难扩展。

现在，该团队设计了一种新方法，将系统能量状态的计算分为多个芯片的阵列，然后由控制芯片收集，形成用于更新模拟自旋值的最终能量结果。

 

The TUS researchers proposed a fully connected scalable annealing processor. The approach uses an array calculator consisting of multiple coupled chips and a control chip.

TUS的研究人员提出了一种完全连接的可扩展退火处理器。该方法使用由多个耦合芯片和一个控制芯片组成的阵列计算器。图片由东京科学大学提供

 

这使得研究小组能够开发出一种新版本的系统，一种384自旋的FPGA实现，根据他们的测试，与CPU模拟相比，该实现能够更快584倍地解决优化问题，能效提高46倍。

Kawahara教授希望进一步研究并创造一种定制的LSI芯片，以提高他们方法的容量、性能和效率，希望改善需要解决复杂优化问题的领域，如药物研究和材料科学。

 

这一切对未来意味着什么？

显然，2022年对量子计算来说是一个积极而充满希望的时期。尽管在开发拥有数百万量子比特而不是少数量子比特的量子处理器方面还有很长的路要走，但本文所涵盖的研究为解决困扰该领域的一些最大挑战铺平了新思路。

研究电子输运，开发容错自旋量子位系统，以及通过使用传统电子技术模拟量子结构，对于规避量子力学定律带来的限制，将量子计算机带出实验室，进入现实世界，解决复杂的现实世界问题至关重要。