疫苗和药物研发、人工智能、物流运输、气候科学——随着量子计算机的发展，这些领域都将迎来翻天覆地的变化。过去十年中，量子计算领域的投资呈现出了爆炸式的增长。但目前的量子处理器规模较小，量子位的数目都在100以内。量子位是量子计算机构造的基本单元，其英文“qubits”由量子（quantum）和比特（bits）连接缩写而来。
现有的量子处理器在展示量子计算潜力上发挥了至关重要的作用，但要完成有实际价值的工作，可能需要拥有多达100万个量子位的处理器。如何将量子位的数目从数个扩展至数百万个？这是量子计算机的一大核心问题，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）发表在《科学进展》上的最新研究给出了一个答案。
究竟什么是量子计算机？
量子计算机使用量子位来储存和处理量子信息。与经典计算机使用的比特不同，量子位利用了量子叠加和纠缠的自然特性，在一些计算任务上比经典计算机快得多。经典比特只能处于两种状态之一，分别用0和1表示。量子位与之不同，能够同时处于两种状态，我们称之为叠加态。
谷歌和其他一些公司的演示表明，即使是现有的早期量子计算机。在高度专业化的任务上也能胜过地球上最强大的经典超级计算机，实现量子优越性。
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谷歌的量子计算机使用超导电路构成，有53个通过先进的制冷技术保持在接近-273ºC超低温的量子位。极低的工作温度能消除热量，避免热噪声导致脆弱的量子位出现错误。这样的量子计算演示很重要，但眼下的挑战是构建拥有更多量子位的量子处理器。
UNSW的研究团队正在努力使用与日常使用的计算机芯片相同的材料——硅，来制造量子计算机。传统的硅芯片能把数十亿比特塞进指甲盖大小的空间，若能同样的技术来构建量子计算机，前景相当诱人。
控制难题
在硅量子处理器中，信息由单个电子存储。这些电子被约束在芯片表面的电极下。量子位被编码为电子的自旋。自旋可以被描述为电子内部的小小指南针，能够指向北或南，分别表示状态0和1。
所有量子计算机都能够进行的基本操作，就是将量子位设定为0和1的叠加态，这要求控制信号定向到所需的特定量子位。硅量子位所用的控制信号形式是微波场，类似5G网络电话通话的信号。微波会与电子相互作用，导致其自旋翻转。
目前，每个量子位都需要单独的微波控制，由电缆传送。电缆一端连接芯片，另一端却处于室温，这使热量不断由电缆流向芯片。在热量到达量子处理器前，必须被移除。
虽然现有的制冷技术部分解决了电缆带来的热负荷问题，然而如果我们要搭建的是一个拥有一百万甚至更多量子位的系统，热负荷将是成为一个巨大的障碍。
“全局”控制的解决方案
为应对向数百万自选量子位传递控制信号的挑战，1990年代后期的研究者曾提出一种优雅的解决方案。“全局控制”的想法很简单：把一个微波控制信号在整个量子处理器上广播。施加在单个电极局部的电压脉冲可以使单个量子位与全局场相互作用，并产生叠加态。
在芯片上生成这样的电压脉冲比生成多个微波场要容易得多，只需要一根控制电缆，还省去了芯片上讨人厌的控制电路。
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二十多年来，量子计算机的全局控制都停留在设想层面。研究人员并未设计出合适的技术，来与量子芯片集成并以适当的低功率产生微波场。
在这项最新的研究中，一种称作介电谐振器（dielectric resonator）的组件最终实现了这一点。介电谐振器是一小块透明晶体，能够在短时间内约束微波。约束微波所达成的共振，会延长微波与自旋量子位相互作用的时间，大大降低了生成控制场所需的微波功率。这对制冷装置内的技术操作至关重要。
研究者在实验中使用介电谐振器生成了可控制400万个量子位的微波场，使用包含2个量子位的芯片演示了晶体生成的微波场翻转每个自旋的过程。
通向全规模量子计算之路
在使用这项技术实现百万量子位之前，要做的工作还有很多。在这项研究中，团队设法翻转了量子位的状态，但尚未产生任意的叠加状态。仍在进行中的实验正尝试证明这项关键能力。研究者还需要进一步研究介电谐振器对量子处理器其他方面的影响。
这些工程挑战是实现大规模自旋量子计算机的最大障碍，但研究者坚信它们最终将被克服。
撰文：Serwan Asaad
翻译：武大可
引进来源：The Conversation
本文来自：中国数字科技馆
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