量子计算机芯片中过度拥挤电路的甜蜜解决方案

未来量子计算机的硅微芯片将包含数百万甚至数十亿个量子比特 - 量子信息的基本单位 - 以解决人类面临的最大问题。由于数以百万计的量子比特在微芯片电路中需要数百万根电线，它总是会在那里变得局促。

但是现在，新南威尔士大学悉尼分校的工程师已经迈出了重要的一步，解决了长期存在的问题，即给他们的量子比特更多的喘息空间 - 这一切都围绕着软糖豆。

不是我们依靠糖来让我们度过下午 3 点低迷的那种。但是软糖豆量子点 - 量子比特对之间的细长区域，为布线创造了更多的空间，而不会中断配对量子比特相互交互的方式。

正如主要作者Arne Laucht副教授所解释的那样，软糖豆量子点并不是量子计算中的一个新概念，并且已被讨论为构建世界上第一台工作量子计算机的许多途径中的一些解决方案。

“它已经在不同的材料系统中得到证实，例如砷化镓。但它以前从未在硅中显示过，“他说。

Laucht教授说，硅可以说是量子计算中最重要的材料之一，因为鉴于我们在经典计算机中使用硅芯片，生产未来量子计算芯片的基础设施已经可用。另一个好处是你可以在一个芯片上安装这么多量子位(以电子的形式)。

“但是由于量子比特需要如此接近才能相互共享信息，因此在每对之间放置电线总是一个挑战。

在今天发表在Advanced Materials上的一项研究中，新南威尔士大学的工程师团队描述了他们如何在实验室中证明软糖豆量子点在硅中是可能的。现在，这为量子比特之间的间隔开辟了道路，以确保连接和控制量子比特所需的电线可以安装在两者之间。

工作原理

在使用自旋量子比特的普通量子点中，单个电子从硅中的电子池中拉出，位于“量子门”下 - 其中每个电子的自旋代表计算状态。例如，向上旋转可能表示 0，向下旋转可能表示 1。然后，每个量子比特都可以由微波频率的振荡磁场控制。

但是要实现量子算法，我们还需要两个量子比特门，其中一个量子比特的控制取决于另一个量子比特的状态。为了做到这一点，两个量子点需要非常紧密地放置，相距只有10纳米，这样它们的自旋就可以相互作用。(从这个角度来看，一根人类头发大约有100万纳米厚。

但是，将它们进一步分开以创造更多的布线空间一直是科学家和工程师面临的挑战。问题是，当配对的量子比特分开时，它们将停止交互。

软糖豆解决方案代表了一种两者兼而有之的方式：间隔良好的量子比特，继续相互影响。为了制造软糖豆，工程师们找到了一种方法，通过在量子比特之间捕获更多的电子来创建电子链。这充当串电话的量子版本，以便软糖豆两端的两个配对量子比特电子可以继续与另一个电子通信。只有两端的电子参与任何计算，而软糖豆点中的电子在那里保持它们在分开时相互作用。

该论文的主要作者，前博士生Zeheng Wang说，拉入软糖豆量子点的额外电子数量是它们如何排列自己的关键。

“我们在论文中表明，如果你只在你下面的那一滩电子中加载几个电子，它们就会分解成更小的水坑。所以它不是一个连续的软糖豆量子点，它在这里是一个较小的量子点，一个较大的在中间，一个较小的量子点。我们谈论的是总共三到十个电子。

“只有当你接触到更多的电子，比如15或20个电子时，软糖豆才会变得更加连续和均匀。这就是你有明确定义的自旋和量子态的地方，你可以用它来将量子比特耦合到另一个量子比特。

后软糖豆量子世界

劳赫特副教授强调，还有很多工作要做。该团队为这篇论文所做的努力集中在证明软糖豆量子点是可能的。下一步是在软糖豆量子点的每一端插入工作量子比特，并使它们与另一个量子点交谈。

“很高兴看到这项工作得以实现。它增强了我们对软糖豆耦合器可用于硅量子计算机的信心，我们很高兴接下来尝试用量子比特实现它们。