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    眼见为实:精确原子量子位实现了量子计算的重大里程碑

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      爱因斯坦

      【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】澳大利亚独特的制造量子位的方法是在硅中精确定位单个原子,从而获得了巨大的回报,新南大学的悉尼科学家首次展示了他们可以让两个原子量子“相互交谈”。由新南威尔士大学(UNSW)教授米歇尔·西蒙斯(Michelle Simmons)领导的研究小组是世界上唯一一个能够在固态中看到其量子位的精确位置的群体。该研究中心是量子计算和通信技术(CQC2T)的卓越中心主任。Simmons的团队通过精确定位和封装硅片中的单个磷原子来创建原子量子。信息存储在单个磷电子的量子自旋上。该团队的最新进展——第一次观察到两个量子比特之间的可控相互作用——发表在《自然通讯》杂志上。在此之前,还有另外两项突破,使用这种独特的方法来构建量子计算机。

      眼见为实:精确原子量子位实现了量子计算的重大里程碑

      一种扫描隧道显微镜图像,显示了由磷原子在硅中精确定位的量子比特的电子波函数。图片版权:UNSW

      通过优化他们的纳米制造工艺,Simmons的团队最近也创造出了任何半导体器件中记录最低的电子噪声的量子电路。他们创造了一种电子自旋量子比特,这是一种纳米电子设备的最长寿命——30秒。西蒙斯说:这三篇研究论文的综合结果证实了使用我们的原子量子位构建多量子位系统的前景非常有希望。由理查德·费曼(Richard Feynman)创作的《2018年澳大利亚人》(Australian of the Year)。西蒙斯说,她的团队开创性的工作是受到已故物理学家理查德·费曼的启发,正在系统地执行这一战略,从地面到原子。在将磷原子放在硅中制造量子位时,我们已经证明了我们可以使用扫描探针直接测量原子的波函数,它告诉我们它在芯片中的确切物理位置,我们是世界上唯一能看到我们的量子位在哪里的群体。

      我们的竞争优势是可以把高质量的qubit放到芯片上,看看我们做了什么,然后测量它的行为。我们可以在附近再加一个qubit,看看这两个波函数是如何相互作用的。然后我们就可以开始产生我们所创造的设备的复制品了。在这项新的研究中,研究小组放置了两个量子位——一个由两个磷原子组成,一个由单个磷原子组成——在一个硅芯片中分离出16纳米。研究报告的合著者Matthew Broome博士说:用类似精密技术在芯片上的电极,控制了这两个相邻量子点之间的相互作用,所以它们电子的量子自旋变得相互关联。这很吸引人。当一个电子的自旋向上,另一个电子向下,反之亦然。这是这项技术的一个重要里程碑。这类自旋相关是量子计算机所需要的,它们是纠缠态的前兆,而量子计算机则需要进行复杂的计算。

      该研究的主要合作者,新南威尔士大学的山姆·戈尔曼说:理论预测,这两个量子位需要放置20纳米,才能看到这种关联效应,但是我们发现它只发生在16纳米的地方。在我们的量子世界里,这是一个很大的不同,作为一名实验主义者,对这个理论提出质疑也是很聪明的。引领着在硅领域建立量子计算机的竞赛。UNSW的科学家和CQC2T的工程师们正在世界上领先,在硅上建造量子计算机。他们正在开发利用单个原子和量子点量子位的并行专利方法。UNSW团队选择了在硅领域工作,因为它是最稳定、最容易被制造的环境之一,在这个环境中,可以容纳qubits,而且它在传统计算机行业的长期使用历史意味着有大量关于这种材料的知识。2012年Simmons的团队使用扫描隧道显微镜将单个磷原子置于硅中,然后用分子束外外化来封装它们,创造了世界上最窄的导线,只有4个磷原子和一个原子高。

      在最近发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上的一篇论文中,他们使用了类似的原子尺度控制技术,制造出了大约2-10纳米宽的电路,并显示出了所有半导体电路中记录最低的电子噪声。这项工作是与印度科学研究所的Saquib Shamim和Arindam Ghosh共同进行的。人们普遍认为,控制量子位电路的电路噪声将是限制其性能的关键因素。研究结果证实硅是一种最佳选择,因为硅的使用避免了其他大多数设备面对混合不同材料的问题,包括介质和表面金属,这可能是电子噪声的来源和放大。用我们的精确方法,已经达到了所认为的最低的电子噪音水平,这是一种硅的电子纳米器件的最低级,比使用碳纳米管还要低三个数量级。

      眼见为实:精确原子量子位实现了量子计算的重大里程碑

      两个量子位的概念图,一个由两个磷原子组成,一个由一个磷原子组成,在一个硅片上放置了16纳米。UNSW的科学家们能够控制两个量子位之间的相互作用,从而使电子的量子自旋变得相关。当一个电子的自旋向上的时候,另一个点向下。图片版权:UNSW

      在最近的另一篇科学研究论文中,西蒙斯的研究小组展示了他们在硅中的精确量子位,这样电子自旋的寿命将达到30秒,比之前报道的要长16倍。第一作者托马斯·沃森博士在新南威尔士大学攻读博士学位,现在在代尔夫特理工大学。西蒙斯说:这是一个热门的研究课题。电子自旋的生命周期——例如从自旋向上到向下旋转——是至关重要的。生命周期越长,我们在量子态中存储信息的时间就越长。在同一篇论文中指出这些长寿命使他们能够读出两个量子位的电子自旋,其准确度为99.8%,这是量子处理器实际误差校正所需要的水平。与传统的计算机一样,量子计算机不是一个接一个地进行计算,而是并行地工作,并且能够同时观察所有可能的结果。它将能够在几分钟内解决问题,否则将花费数千年。

      去年澳大利亚第一家量子计算机公司——由一个由政府、工业和大学组成的独特财团支持——成立,旨在将CQC2T的全球领先研究商业化。在UNSW的新实验室中,硅量子计算有限公司(Silicon Quantum Computing Pty Ltd)的目标是在2022年之前在硅中生产一个10-qubit的演示设备,作为硅基量子计算机的先驱。澳大利亚政府通过其国家创新和科学议程投资了2,600万美元,另外还有2500万美元来自新南威尔士大学,1400万美元来自澳大利亚联邦银行,1000万美元来自澳洲电信,870万美元来自新南威尔士州政府。据估计约占澳大利亚当前经济40%的行业可能会受到量子计算的严重影响。可能的应用包括软件设计,机器学习,计划和后勤计划,财务分析,股票市场建模,软件和硬件验证,气候模型,快速药物设计和测试,以及早期疾病的检测和预防。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:Nature Communications

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:新南威尔士大学

      • 编译:光量子

      • 审校:博科园

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    • Lv.25天狼星B
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      拉格朗日
      [s-2]

      浩瀚天宇,总能让我的思绪去更远的地方~

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      Lv.20胡夫金字塔
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      阿基米德🌏
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      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

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