量子計算機芯片中過度擁擠電路的甜蜜解決方案

未來量子計算機的硅微芯片將包含數百萬甚至數十億個量子比特 - 量子信息的基本單位 - 以解決人類面臨的最大問題。由于數以百萬計的量子比特在微芯片電路中需要數百萬根電線，它總是會在那里變得局促。

但是現在，新南威爾士大學悉尼分校的工程師已經邁出了重要的一步，解決了長期存在的問題，即給他們的量子比特更多的喘息空間 - 這一切都圍繞著軟糖豆。

不是我們依靠糖來讓我們度過下午 3 點低迷的那種。但是軟糖豆量子點 - 量子比特對之間的細長區域，為布線創造了更多的空間，而不會中斷配對量子比特相互交互的方式。

正如主要作者Arne Laucht副教授所解釋的那樣，軟糖豆量子點并不是量子計算中的一個新概念，并且已被討論為構建世界上第一臺工作量子計算機的許多途徑中的一些解決方案。

“它已經在不同的材料系統中得到證實，例如砷化鎵。但它以前從未在硅中顯示過，“他說。

Laucht教授說，硅可以說是量子計算中最重要的材料之一，因為鑒于我們在經典計算機中使用硅芯片，生產未來量子計算芯片的基礎設施已經可用。另一個好處是你可以在一個芯片上安裝這么多量子位(以電子的形式)。

“但是由于量子比特需要如此接近才能相互共享信息，因此在每對之間放置電線總是一個挑戰。

在今天發表在Advanced Materials上的一項研究中，新南威爾士大學的工程師團隊描述了他們如何在實驗室中證明軟糖豆量子點在硅中是可能的?，F在，這為量子比特之間的間隔開辟了道路，以確保連接和控制量子比特所需的電線可以安裝在兩者之間。

工作原理

在使用自旋量子比特的普通量子點中，單個電子從硅中的電子池中拉出，位于“量子門”下 - 其中每個電子的自旋代表計算狀態。例如，向上旋轉可能表示 0，向下旋轉可能表示 1。然后，每個量子比特都可以由微波頻率的振蕩磁場控制。

但是要實現量子算法，我們還需要兩個量子比特門，其中一個量子比特的控制取決于另一個量子比特的狀態。為了做到這一點，兩個量子點需要非常緊密地放置，相距只有10納米，這樣它們的自旋就可以相互作用。(從這個角度來看，一根人類頭發大約有100萬納米厚。

但是，將它們進一步分開以創造更多的布線空間一直是科學家和工程師面臨的挑戰。問題是，當配對的量子比特分開時，它們將停止交互。

軟糖豆解決方案代表了一種兩者兼而有之的方式：間隔良好的量子比特，繼續相互影響。為了制造軟糖豆，工程師們找到了一種方法，通過在量子比特之間捕獲更多的電子來創建電子鏈。這充當串電話的量子版本，以便軟糖豆兩端的兩個配對量子比特電子可以繼續與另一個電子通信。只有兩端的電子參與任何計算，而軟糖豆點中的電子在那里保持它們在分開時相互作用。

該論文的主要作者，前博士生Zeheng Wang說，拉入軟糖豆量子點的額外電子數量是它們如何排列自己的關鍵。

“我們在論文中表明，如果你只在你下面的那一灘電子中加載幾個電子，它們就會分解成更小的水坑。所以它不是一個連續的軟糖豆量子點，它在這里是一個較小的量子點，一個較大的在中間，一個較小的量子點。我們談論的是總共三到十個電子。

“只有當你接觸到更多的電子，比如15或20個電子時，軟糖豆才會變得更加連續和均勻。這就是你有明確定義的自旋和量子態的地方，你可以用它來將量子比特耦合到另一個量子比特。

后軟糖豆量子世界

勞赫特副教授強調，還有很多工作要做。該團隊為這篇論文所做的努力集中在證明軟糖豆量子點是可能的。下一步是在軟糖豆量子點的每一端插入工作量子比特，并使它們與另一個量子點交談。

“很高興看到這項工作得以實現。它增強了我們對軟糖豆耦合器可用于硅量子計算機的信心，我們很高興接下來嘗試用量子比特實現它們。