量子芯片押注半导体量子位或“自旋量子位”

目前，量子计算是最有前途的未来技术之一，可以为不断需要计算性能提升的新兴行业提供超快的处理能力。

量子计算与经典计算的概述。图片由CB Insights 提供

量子计算使用粒子的量子态（如自旋或电荷）来表示称为量子位的量子位。这项技术有几种不同的形式，每种形式都有各自的优点和缺点。 

公司，如谷歌和英特尔，已经开始发展自己，展示该技术的量子计算机的版本，但几乎没有一样强大的工程师希望他们有什么实际和现实世界的应用。

由各种因素引起的实现这一目标的主要问题是无法有效控制大量量子比特。通常，要使量子位相干且可控，来自其他来源的噪声和干扰必须绝对最小。 

创造最小的噪声和干扰需要过度的信号屏蔽和接近绝对零的冷却。反过来，它需要一个庞大而昂贵的基础设施，只能处理少数量子位，这对于在那个阶段扩展和大规模生产该技术来说效率低下。

近日，一队由物理学家尼尔斯·玻尔研究所的哥本哈根大学已经开发使用的半导体材料，作为所谓的固态量子计算机平台，以克服这些挑战的一个潜在途径。

哥本哈根大学的量子芯片

博士研究 学生Federico Fedele、Anasua Chatterjee教授和Ferdinand Kuemmeth教授的 小组制造了基于量子点半导体量子位的量子芯片，该量子位利用点自旋特性作为其系统的逻辑状态。 

按应用和大小对半导体量子位的高级表示。图片由Chatterjee 等人提供

与其他类型的量子位不同，点自旋量子位具有相对较长的相干时间，这意味着它们可以在更长的时间内保持其状态，从而实现更快的性能和更小的计算和读出过程中出错的机会。

该芯片在由砷化镓半导体结构制成的2×2 量子点阵列中具有四个量子位。

哥本哈根大学的二乘二量子点阵列。图片由 Fedele 等人提供

在这些量子位之间是一个更大的中心量子点，它连接所有四个量子位，允许同时并行控制其中的每一个。

这一特性使这项研究具有开创性。虽然其他量子技术需要单独“驱动”每个量子位以控制和读取其状态，但它们可以作为一个结构运行，而不必将每个量子位单独连接到系统。 

这种结构变化在量子位相干性方面创造了显着优势，并消除了其他量子计算机所展示的大型布线基础设施的一部分。 

半导体自旋量子位挑战

尽管这项研究确实解决了当前领先的量子计算机设计的最大潜在问题之一，但它仍然为提高制造和处理能力的可扩展性敞开了大门。

由于这仍然是一种半导体技术，希望工程师能够采用当前的半导体技术，将砷化镓用于量子位芯片制造，从而为未来的量子处理器提供大规模制造方法。 

第二大挑战是开发具有更广泛的同时操作的量子位阵列的量子芯片，这本身就是一个完整的研究问题。 

从表面上看，半导体自旋量子位面临的一些问题与其他量子计算技术（如离子阱量子计算机或超导量子计算机）非常相似。

尽管如此，半导体平台仍然是一种非常有趣的方法，因为与我们目前在单个芯片上使用数十亿个晶体管运行的传统半导体计算机一样，量子半导体芯片也可能具有类似的量子位密度，并允许工程师潜在地集成数十亿个qubits 到单个芯片上。

半导体量子位 = 量子计算的未来？

目前，许多科学家和工程师正在研究这个课题。尽管如此，由于入门价格和相对较新的技术，量子计算远不是一种行业工具，更不用说家庭用品了。 

有用且可制造的量子设备可能因这些技术而异，并且在真正的量子计算标准存在之前可能不会成为现实。

半导体自旋量子计算机只是众多技术中的一种，虽然解决了我们目前对该技术的理解中的一些问题，但可能会在未来出现其他问题，或者与其他一些量子计算挑战的解决方案不兼容。

尽管如此，这是向量子位控制迈出的重要一步，有望让其他工程师了解他们未来的研究，因为该技术的当前目标不应该是立即扩大制造规模以交付产品。希望为更多研究人员打开大门，共同更好地理解量子复杂性的范围，并为真正开发量子技术带来更多解决方案。