新的自旋控制方法使十亿量子比特的量子芯片更接近

澳大利亚工程师发现了一种新方法，可以精确控制位于运行逻辑门的量子点中的单个电子。更重要的是，新机制体积更小，需要的部件更少，这可能被证明对于使大规模硅量子计算机成为现实至关重要。

量子计算初创公司Diraq和UNSWSydney的工程师们的偶然发现在NatureNanotechnology杂志上有详细介绍。

“这是一种我们以前从未见过的全新效应，起初我们并不十分了解，”主要作者WillGilbert博士说，他是位于悉尼的UNSW衍生公司Diraq的量子处理器工程师。校园。“但很快就很清楚，这是一种控制量子点自旋的强大新方法。这非常令人兴奋。”

逻辑门是所有计算的基本构建块;它们允许“位”——或二进制数字(0和1)——一起工作来处理信息。然而，一个量子位(或量子比特)同时存在于这两种状态，这种情况被称为“叠加”。这允许多种计算策略——一些速度呈指数级增长，一些同时运行——超越了传统计算机。量子位本身由“量子点”组成，这是一种可以捕获一个或几个电子的微型纳米器件。精确控制电子是进行计算所必需的。

TuomoTanttu博士在对大小仅为十亿分之一米的控制量子点的设备以及驱动其运行的各种类型的微型磁铁和天线进行不同几何组合的实验时，偶然发现了一种奇怪的效果。

“我试图真正准确地操作一个双量子位门，通过许多不同的设备、略有不同的几何形状、不同的材料堆叠和不同的控制技术进行迭代，”Diraq的测量工程师Tanttu博士回忆道。“然后这个奇怪的峰出现了。看起来其中一个量子比特的旋转速度正在加快，这是我进行这些实验四年来从未见过的。”

工程师们后来意识到，他发现的是一种使用电场而不是他们之前使用的磁场来操纵单个量子位的量子态的新方法。自2020年发现这一发现以来，工程师们一直在完善这项技术——这已成为他们武器库中的另一种工具，以实现Diraq在单个芯片上构建数十亿个量子位的雄心。

“这是一种操纵量子位的新方法，而且构建起来体积更小——你不需要在量子位旁边制造钴微磁体或天线来产生控制效果，”吉尔伯特说。“它消除了在每个门周围放置额外结构的要求。因此，混乱更少。”

在不干扰附近其他电子的情况下控制单个电子对于硅中的量子信息处理至关重要。有两种既定的方法：使用片上微波天线的“电子自旋共振”(ESR);和电偶极子自旋共振(EDSR)，它依赖于感应梯度磁场。新发现的技术被称为“本征自旋轨道EDSR”。

“通常，我们将微波天线设计为提供纯磁场，”Tanttu博士说。“但是这种特殊的天线设计产生了比我们想要的更多的电场——结果证明这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子比特的新效应。这对你来说是个意外发现。”

“这是新机制的瑰宝，它只是增加了我们在过去20年研究中开发的专有技术宝库，”Diraq首席执行官兼创始人、新南威尔士大学量子工程教授安德鲁·祖拉克教授说，他领导的团队于2015年在硅中构建了第一个量子逻辑门。

“它建立在我们使硅量子计算成为现实的工作之上，基于与现有计算机芯片基本相同的半导体组件技术，而不是依赖奇异材料，”他补充说。“由于它基于与当今计算机行业相同的CMOS技术，我们的方法将使它更容易、更快地扩大商业生产规模，并实现我们在单个芯片上制造数十亿个量子比特的目标。”

CMOS(或互补金属氧化物半导体，发音为“see-moss”)是现代计算机核心的制造工艺。它用于制造各种集成电路元件——包括微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路，以及图像传感器和数据转换器等模拟电路。

建造一台量子计算机被称为“21世纪的太空竞赛”——这是一项艰巨而雄心勃勃的挑战，有可能提供革命性的工具来解决原本不可能的计算，例如复杂药物和先进材料的设计，或快速搜索大量未分类的数据库。

“我们经常认为登月是人类最伟大的技术奇迹，”Dzurak说。“但事实是，今天的CMOS芯片——将数十亿个操作设备集成在一起，像交响乐一样工作，而且你可以随身携带——这是一项惊人的技术成就，它彻底改变了现代生活。量子计算将同样令人惊讶”