《自然》雜志刊登英特爾和QuTech量子計算新進(jìn)展，“高溫量子”為量子實用性鋪路

2020-04-16 16:08

公司已經(jīng)發(fā)明了一種自旋量子位制造流程，基于300毫米工藝技術(shù)，使用的是這種同位素純晶圓（硅晶圓）。（圖片來源：Walden Kirsch／英特爾公司）點擊查看完整圖像

2020年4月15日——今天，英特爾與QuTech共同在《自然》雜志（Nature）上發(fā)表了一篇論文，證明了在高于1開氏度下，能夠成功控制“高溫”量子位（量子計算的基本單位）。該研究還重點論述了對兩個量子位的單獨相干控制，其單量子位保真度高達(dá)99．3％。這些突破突顯出對未來量子系統(tǒng)和硅自旋量子位進(jìn)行低溫控制的潛力，硅自旋量子位與單電子晶體管極為相似，可以集成在一個封裝內(nèi)。

英特爾研究院量子硬件總監(jiān)Jim Clarke表示：“這項研究代表我們對硅自旋量子位的研究取得了意義非凡的進(jìn)展，我們認(rèn)為硅自旋量子位是一個極具潛力的候選技術(shù)，有望賦能商業(yè)規(guī)模級量子系統(tǒng)，因為它們非常類似于英特爾已制造超過50年之久的晶體管。我們證明高溫量子可以在更高的溫度下工作，同時保持高保真度，這為在不會影響量子位性能的情況下，實現(xiàn)各種本地量子位控制選項鋪平了道路。”

能否將量子計算應(yīng)用于實際問題中，取決于同時以高保真度擴(kuò)展和控制數(shù)千個（甚至是數(shù)百萬個）量子位的能力。然而，當(dāng)前的量子系統(tǒng)設(shè)計受限于整體系統(tǒng)尺寸、量子位保真度，尤其是大規(guī)模管理量子所需的控制電子器件的復(fù)雜程度。

在一個芯片上集成控制電子器件和自旋量子位，可以大大簡化兩者之間的互連。但是要實現(xiàn)這一目標(biāo)，提高量子位的工作溫度至關(guān)重要。在此之前，量子計算機(jī)被證明只能在毫開爾文的溫度范圍內(nèi)工作——只比絕對零度高出零點幾度。現(xiàn)在，隨著對高溫量子的研究，QuTech與英特爾的合作已經(jīng)證明了一個假設(shè)，即硅自旋量子位有可能在略高于當(dāng)前量子系統(tǒng)運行溫度中工作，從而向量子計算的可擴(kuò)展性邁出了一步。

利用硅自旋量子推進(jìn)量子計算，讓英特爾能夠利用在先進(jìn)封裝和互連技術(shù)方面的專業(yè)性，為實現(xiàn)量子實用性開辟一條可擴(kuò)展的道路。英特爾持續(xù)推進(jìn)全棧量子系統(tǒng)的發(fā)展，這項研究正是建立在此前的一系列工作之上，包括去年年底推出的首款Horse Ridge低溫量子控制芯片。

這一研究也實現(xiàn)了關(guān)鍵性能突破。一般來說，除非將量子位冷卻到接近絕對零度（－273攝氏度，或0開氏度），否則量子位中存儲的量子信息通常很快就會丟失。在《自然》雜志重點報道的研究中，英特爾和QuTech首次展現(xiàn)了如何運行較高溫度、較大密度且相干的量子位。這些密集的量子位能夠在相對較高的溫度下高質(zhì)量運行。

隨著這項研究的開展，研究人員同時證明，1開氏度以上溫度可以實現(xiàn)硅量子點的單量子位控制。但是直到此前，只有在40毫開氏度的低溫下，才能實現(xiàn)對兩個量子位的控制。英特爾與QuTech的合作研究展現(xiàn)了新的突破，在1．1開氏度下，可以運行量子電路中的完整雙量子位邏輯單元。

通過這項研究，英特爾和QuTech還證明了能夠控制雙量子位系統(tǒng)電子自旋的能力，并測量出單量子位保真度高達(dá)99．3％，且可對系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)整。此外，研究團(tuán)隊還證明在45毫開氏度到1．25開氏度的溫度范圍內(nèi)，自旋量子位的性能受影響最小。