量子计算速度提升200倍！硅基原子级两位量子门问世量子计算新突破。 量子计算机是利用量子相干叠加原理进行高速计算、存储和处理信息，具有超高速并行计算和仿真能力的计算机。它以量子位存储信息。量子位门是量子计算机的逻辑门。 Simons的团队使用扫描隧道显微镜将两个磷原子放置在天然硅中。这种纳米级的精密操作让磷原子形成势阱来俘获电子，通过控制电子的相互作用创造了硅基磷原子的第一个两位量子门。两位量子门可以在0.8纳秒内完成运算，比目前其他硅基两位量子门快200倍。 有关这项研究的论文最近发表在期刊《自然》上。这一里程碑式的成就满足了系统量子计算的五个判断条件中的最后一个（DiVincenzo的标准）。结合以往成果，硅基磷原子量子计算系统实现了可扩展的量子计算，并在原理上成为现实。 研究团队如上图。左起：MichelleSimmons（团队负责人兼中心主任）、SamGorman博士（共同第一作者）、HeYu博士（共同第一作者）、LudvikCrank、JorisDr.Kaiser和DanielKeith。（来源：afr.com） 硅基磷原子量子二位门 判断一个系统能否实现量子计算的五个判断要求包括：物理系统具有可扩展性，系统中的量子比特具有很好的表现;将量子比特的状态初始化为简单基态的能力；较长的退相干时间；一组“通用”量子比特门（包括单比特量子门和双比特量子门）；基于量子比特的测量能力。 “我们以硅为载体的磷原子体系，此前已经证明了1、2、3、5，而这项研究实际上证明了4的两位量子门，”论文共同第一作者何宇，告诉 ，“结果表明，从理论上讲，这个系统做可扩展的量子计算是没有问题的。（“可扩展的量子计算”是指能够实现的量子比特数必须具有一定的规模——拥有数百至数千量子比特的量子计算机确实可以比经典计算机具有更优越的性能。所有的量子比特都应该能够彼此区分，单独操作，并完全控制他们作为一个整体的行为。） 他们的芯片是使用扫描隧道显微镜处理的。其运行过程是：通过单个原子或原子团的排列形成一个量子点，一个量子点有自己的势阱，势阱可以俘获电子，然后对电子进行量子运算，自旋的电子携带量子比特信息。实验装置图（来源：researchpaper） 此前，理论研究证明，硅支持的磷的电子自旋之间的交换有望使双量子比特门实现快速（千兆赫兹）门操作。 然而，要实现量子比特的量子比特门所需的交换关系（打开或关闭）直到现在还没有实现。这是因为在调整原子电路以获得高保真、独立的自旋读数时，以前很难确定交换是打开还是关闭。所需的原子距离。 Simmons团队解决了这个问题。他们通过实验发现，当原子距离缩短到13纳米时，量子门交换的开启或关闭可以顺利进行。（原子距离远，交换门不易打开；原子距离近，交换门不易关闭）。 “我们直接通过实验确定电路中量子比特的位置（而不是理论建模），”西蒙斯说，“让量子芯片本身帮助构建自己。” 目前，新南威尔士大学的双原子量子位门可以在0.8纳秒内完成一次运算，比其他硅基量子门（在硅上加电极形成的量子门）快200倍。但SimonSi教授表示她不会 2018年3月，新南威尔士大学实验室证明，量子比特可以通过电子自旋的经典相关性非常简单地“说话”，即它们之间可以存在相关性电子。到目前为止报告的结果是科学家第一次纠缠两个原子量子比特并设法在它们之间交换信息。 新南威尔士大学的研究团队说，三个或四个纠缠的量子比特可以执行一个简单的算法。下一个目标西蒙斯团队准备在5年内打造10位量子集成电路，并希望在10年内实现商业化。 为什么选择Silicon材料？ 量子计算有很多流派，包括超导量子计算、半导体量子计算、光量子计算等。 2018年1月，英特尔推出了一款名为TangleLake的49量子位测试芯片；两个月后，谷歌推出了一款名为Bristlestone的72量子位处理器。 他们使用超导电路作为量子计算处理器的基础。量子现象也可以发生在超导材料中。例如，当超导材料中的电子同时顺时针和逆时针运动时，这就是一种量子现象。超导量子芯片前景广阔，但电路设计难度随着位数的增加而增加。 以半导体硅为基础的量子计算在世界上有几条不同的路线。西蒙斯使用磷原子（硅中的一种杂质）进行量子计算。另一种是在硅样品上加上各种电极，然后通过电极形成势阱，利用势阱俘获电子作为量子计算的比特。这个方向的两位门和一位门都已经被证明了，但是它需要非常高的电极密度，因为一位需要2-3个电极，所以电极会排得很密。 但西蒙斯表示，她的实验室使用硅中基于原子的量子位的方法最终将超越竞争对手。 Simons表示，基于硅的量子比特更受欢迎，因为它们具有最长的相干时间和最高的保真度（分别衡量量子比特维持量子状态的时间和交换信息的准确度）。 Simmons团队的最新方案量子比特保真度达到94%。未来，他们将继续通过降低电荷噪声、降低电子温度以及用纯同位素28硅替代天然硅来提高保真度。 Simons表示，这一成就是20年工作的结晶，它将推动科学家们朝着“可扩展的硅量子计算机”的目标迈进。 量子计算行业 评估量子计算成功有两个常用指标。首先是创造一台性能优于经典计算机的机器，从而实现“量子霸权”。另一个是开发具有可行商业应用的处理器。前者需要大约50个量子比特，而后者需要更少的量子比特。 传统计算机包含数百万个值为0或1的晶体管。但是量子计算机可以准备两个逻辑状态0和1的相干叠加，换句话说，它可以将0和1都存储在同时。 由于能够同时存在于两种状态，因此量子比特可以比比特更快地解决问题。理论上，量子计算机可以彻底改变任何依赖重计算和数据处理的行业。 这可能意味着更准确的天气预报、更高效的通勤时间、更安全的航空系统、更好地认识行星和生命、更智能的自动驾驶汽车、更好的药物和超个性化营销。 量子物理学已经从一个几乎完全以大学为中心、仅供研究的领域发展成为一个蓬勃发展的商业产业，昆士兰大学数学与物理学院教授TomStace说。 他说：“这个行业正在爆发式增长，全球还缺少大约2万名量子专家。量子技术正在密码学、医学、工业化学模拟和提高传感器测量精度等方面得到应用。”
