文|陈根

在经典计算发展路径之下,传统硅基芯片作为最重要的硬件产品,面临着晶体管直径逼近物理极限的问题。基于此,量子计算的发展一直被寄予厚望。

然而,现阶段的量子技术,受制于量子比特数目少、有效量子操作深度浅等问题。在“带着镣铐跳舞”的情况下,如何最大化利用量子资源,设计出搭载量子算法的、可编程的有实用价值的量子装置,一直是该领域翘首以盼的事情。

近日,新南威尔士大学(UNSW)的研究人员通过在芯片中添加一组晶体棱镜,使得量子计算可同时控制数百万个量子比特,大大提高了其处理性能。

在硅量子处理器中,信息被编码到电子的上下自旋中,分别代表“0”和“1”。而相关操作通过与量子比特一起运行的电线所产生的磁场调节来实现。截止目前,概念验证用的量子计算芯片,已经演示了对数十个量子比特的控制方法。

但要实现真正强大的运算,至少需要数十万、甚至数以百万级的量子比特。然而存在的困境是,电力布线会占用芯片中的宝贵空间,并产生过多的热量。因此,新南威尔士大学团队通过添加晶体棱镜的方法,使其能够向大量量子比特传递电磁场。

该晶体棱镜被称作“介电谐振器”,位于硅芯片正上方,能够将微波引导并聚焦到低于1毫米的波长,从而产生一个可用于控制下方量子比特自旋的磁场。所以其无需投入大量功率来为量子比特提供强大的驱动磁场,并且发热量也不会太大。

此外,整个芯片的磁场十分均匀,就算规模达到百万级的量子比特,也可使用相同的方案来实现控制。

在当前的实验中,研究人员已能够利用该磁场来翻转单个量子比特的状态。不过想要同时产生两种状态的叠加,需要进一步的研究。未来,该方案有望实现一次对 400 万个量子比特的控制。

目前,相关研究成果《Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field》发表在Science Advances杂志上。