英特爾和QuTech共同展示針對(duì)實(shí)用量子系統(tǒng)的 高保真“高溫量子”

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(kāi)氏度下，能夠成功控制“高溫”量子位（量子計(jì)算的基本單位）。該研究還重點(diǎn)論述了對(duì)兩個(gè)量子位的單獨(dú)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(duì)未來(lái)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(gè)封裝內(nèi)。

英特爾研究院量子硬件總監(jiān)Jim Clarke表示：“這項(xiàng)研究代表我們對(duì)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(gè)極具潛力的候選技術(shù)，有望賦能商業(yè)規(guī)模級(jí)量子系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兎浅ｎ愃朴谟⑻貭栆阎圃斐^(guò)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(shí)保持高保真度，這為在不會(huì)影響量子位性能的情況下，實(shí)現(xiàn)各種本地量子位控制選項(xiàng)鋪平了道路?！?

能否將量子計(jì)算應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題中，取決于同時(shí)以高保真度擴(kuò)展和控制數(shù)千個(gè)（甚至是數(shù)百萬(wàn)個(gè)）量子位的能力。然而，當(dāng)前的量子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)芯片上集成控制電子器件和自旋量子位，可以大大簡(jiǎn)化兩者之間的互連。但是要實(shí)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(jì)算機(jī)被證明只能在毫開(kāi)爾文的溫度范圍內(nèi)工作——只比絕對(duì)零度高出零點(diǎn)幾度?，F(xiàn)在，隨著對(duì)高溫量子的研究，QuTech與英特爾的合作已經(jīng)證明了一個(gè)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(yùn)行溫度中工作，從而向量子計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性開(kāi)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性能突破。一般來(lái)說(shuō)，除非將量子位冷卻到接近絕對(duì)零度（-273攝氏度，或0開(kāi)氏度），否則量子位中存儲(chǔ)的量子信息通常很快就會(huì)丟失。在《自然》雜志重點(diǎn)報(bào)道的研究中，英特爾和QuTech首次展現(xiàn)了如何運(yùn)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(duì)較高的溫度下高質(zhì)量運(yùn)行。

隨著這項(xiàng)研究的開(kāi)展，研究人員同時(shí)證明，1開(kāi)氏度以上溫度可以實(shí)現(xiàn)硅量子點(diǎn)的單量子位控制。但是直到此前，只有在40毫開(kāi)氏度的低溫下，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)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(kāi)氏度下，可以運(yùn)行量子電路中的完整雙量子位邏輯單元。

通過(guò)這項(xiàng)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(cè)量出單量子位保真度高達(dá)99.3%，且可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)整。此外，研究團(tuán)隊(duì)還證明在45毫開(kāi)氏度到1.25開(kāi)氏度的溫度范圍內(nèi)，自旋量子位的性能受影響最小。