新技術可以將數百萬量子比特做到一塊晶元上

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據悉，科學家們已研發出他們所說的硅量子微晶元的第一個完整的設計方案。這預示著有可能完全使用傳統硅技術來生產量子計算機。

傳統計算機開啟或關閉晶體管，從而將數據表示為1和0。相比之下，量子計算機使用量子比特（qubit）；由於量子力學的性質，量子比特可能處於疊加狀態，而在這個狀態下，量子比特可以同時是1和0。

疊加讓量子比特一次執行兩次計算。如果2個量子比特是量子力學聯繫在一起的，即糾纏（entangled），它們可以同時執行22即4次計算。3個量子比特可同時執行23即8次計算，依次類推。原則上，擁有300個量子比特的量子計算機瞬間所能執行的計算次數比可見宇宙中的原子總數還多。

全球各地的研究團隊在探究各種不同的方法來製造切實有用的量子計算機。目前至少有五種量子計算方法在探索當中：硅自旋量子比特、離子阱、超導環、鑽石空位和拓撲量子比特。

所有量子計算策略共同面臨的一個挑戰是，量子比特很容易受到熱及其他雜訊的干擾。為了克服這個弱點，量子計算機需要使用糾錯碼來保護它們免受干擾。比如說，來自單個「邏輯」量子比特的信息可以擴散到幾個高度糾纏的「物理」量子比特，以減小任何環境干擾會篡改相關信息的可能性。

需要使用量子糾錯碼錶明，量子計算機可能需要多達數百萬個量子比特才能解決複雜問題，確保切實有用。而事實證明，讓現有的量子計算策略支持數量如此龐大的量子比特是個艱巨的挑戰。

現在，澳大利亞的一批科學家已研發出了一種設計，他們表示可以將數百萬個硅自旋量子比特集成到微晶元上。悉尼新南威爾士大學澳大利亞國家製造中心主任安德魯·祖拉克（Andrew Dzurak）表示，此外，「所有部件都可以由傳統的矽片製造工廠使用標準的CMOS材料來製造。」祖拉克是今天發表在知名雜誌《自然》網路版上的這篇論文的高級作者，論文詳細介紹了這個科研小組的研究工作。

祖拉克表示，這個晶元設計方案的一個重要進展是傳統電子部件的架構，這些電子部件可以操縱和讀出來自數百萬個量子比特的數據。他補充道，其他量子計算設計大多數只專註於量子比特層面的架構，忽略了傳統的電子部件，或者將控制電子元件做到單獨的晶元上。 祖拉克說：「這是第一種將所有東西統統集成到一塊晶元上的設計。」

祖拉克表示，這個設計方案的另一個關鍵部分就是專門為硅自旋量子比特設計的一種新的糾錯碼。他說：「基本上，它讓100萬個量子比特可以做在一塊尺寸與傳統微處理器相同的晶元上。」

祖拉克表示，要實現這個設計方案，需要邁出的頭一步就是設計出用來選擇量子比特的晶體管。他補充道，另一步就是設計精確的元件布局和特徵尺寸，最大限度地減少部件之間的相互干擾。祖拉克說：「所有階段都需要為整個架構的每一個部分（從量子比特柵電極到連接線）設計和開發特定的製造工藝。」

研究人員目前有6370萬美元的資金，用於在2022年之前開發出10個量子比特的硅量子集成電路原型。新南威爾士大學、澳大利亞電信公司Telstra、澳大利亞聯邦銀行和澳大利亞及新南威爾士州政府達成了一項協議，而這筆資金是其中的一部分。今年8月，這些合作夥伴共同設立了澳大利亞第一家量子計算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以促進開發和商用該研究團隊研發的技術。

祖拉克說：「我們不會一開始就力求做出100萬個量子比特的晶元。我們會從比較適中的目標開始入手，比如說10個量子比特的設備，然後提高到100個量子比特，再逐漸提高到100萬個量子比特，就像適用於傳統微處理器的摩爾定律那樣。」

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