Nature刊登量子計算重大進展：有史以來第一個量子集成電路實現(xiàn)

機器之心報道

編輯：張倩、澤南

澳大利亞量子計算公司 SQC 創(chuàng)建了一個集成量子電路，可以精確模擬一個小型有機聚乙炔分子的量子態(tài)，這將有助于創(chuàng)造新材料。該研究登上了新一期的《自然》雜志。

6 月 23 日，澳大利亞量子計算公司 SQC（Silicon Quantum Computing）宣布推出世界上第一個量子集成電路。這是一個包含經(jīng)典計算機芯片上所有基本組件的電路，但體量是在量子尺度上。

SQC 團隊使用這種量子處理器準確地模擬了一個有機聚乙炔分子的量子態(tài)——最終證明了新量子系統(tǒng)建模技術(shù)的有效性。

「這是一個重大突破，」SQC 創(chuàng)始人 Michelle Simmons 說道。由于原子之間可能存在大量相互作用，如今的經(jīng)典計算機甚至難以模擬相對較小的分子。SQC 原子級電路技術(shù)的開發(fā)將使公司及其客戶構(gòu)建一系列新材料量子模型，無論是藥物、電池材料還是催化劑。用不了多久，我們就可以開始實現(xiàn)以前從未存在過的新材料?！?/span>

該研究結(jié)果登上了新一期的《自然》雜志。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

在量子層面上復(fù)刻經(jīng)典計算機

就像普通（經(jīng)典）計算機一樣，量子計算機使用晶體管來編碼信息。但是，與經(jīng)典計算機不同的是，量子計算機的晶體管是在量子尺度上的——小到只有一個原子的大小。經(jīng)典計算機使用比特 0 和 1，而量子晶體管使用 0、1 或 0 和 1 的混合來編碼量子信息。

工程師可以利用單原子晶體管的量子效應(yīng)進行計算。但是在量子世界里，事情就沒那么簡單了。

在量子世界里，粒子以「疊加態(tài)」的形式存在——它們的位置、動量和其他物理屬性不是由單一值定義的，而是用概率來表示。通過疊加，量子比特可以存儲比普通比特復(fù)雜得多的多維計算數(shù)據(jù)。

因此，量子計算機有望比經(jīng)典計算機快數(shù)千倍，甚至數(shù)百萬倍，執(zhí)行計算的效率甚至遠高于最強大的經(jīng)典計算機。

不過，它們還有其他的神奇之處。

當疊加態(tài)擴展到多個系統(tǒng)或原子時，你就會得到一個「糾纏態(tài)」，即量子比特之間彼此相關(guān)聯(lián)。當量子比特糾纏在一起時，它們的變化就會影響到彼此。這種量子效應(yīng)有望應(yīng)用到加密領(lǐng)域。

但同時，這種效應(yīng)也給科學(xué)家制造可用的量子計算機帶來了麻煩。

最重要的是，量子系統(tǒng)的概率性質(zhì)意味著它們非常容易出錯。因此，創(chuàng)造量子機器的一個主要挑戰(zhàn)是使它們具有相干性，以減少信號中的噪聲。SQC 團隊認為他們破解的正是這個問題。

「要創(chuàng)造一臺量子計算機，我們必須在原子尺度上工作，這樣我們才能觸及量子態(tài)，并讓它們相干，且速度快?！筍QC 創(chuàng)始人、論文通訊作者 Michelle Simmons 介紹說。

論文通訊作者 Michelle Simmons。

Simmons 的團隊在 2012 年打造了世界上第一個單原子晶體管，并在 2021 年制造了第一個原子規(guī)模的集成電路。「我們正在關(guān)注的是下一個設(shè)備——在我們制造出人們可以使用的量子計算機之前，我們還需要解決某種與商業(yè)相關(guān)的算法。剛開始的時候，我們不知道我們會在那個電路上展示什么。」

該團隊選擇了聚乙炔——一種碳基分子鏈，化學(xué)式為 (C2H2)n，其中 n 代表重復(fù)。

聚乙炔結(jié)構(gòu)圖。

聚乙炔中的原子通過共價鍵結(jié)合在一起。單鍵意味著兩個原子共用一個外層電子，雙鍵表示共用兩個電子。聚乙炔鏈中碳原子之間的單鍵和雙鍵交替，使得該分子成為物理化學(xué)中一個有趣的研究對象。

Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型是一個著名的分子理論表示，它采用原子和它們的電子之間的相互作用來解釋化合物的物理和化學(xué)性質(zhì)。Simmons 說，「這是一個可以用經(jīng)典計算機解決的眾所周知的問題，因為其中只有很少的原子，一臺經(jīng)典計算機就可以處理所有的相互作用。但我們現(xiàn)在嘗試用量子系統(tǒng)來解決它?！?/span>

聚乙炔的球棍模型顯示了碳原子（深灰色）和氫原子（淺灰色）之間的單鍵和雙鍵。

那么 SQC 團隊是如何在他們的量子設(shè)備上模擬聚乙炔的呢？

「我們讓處理器本身模擬碳原子之間的單鍵和雙鍵，」Simmons 解釋說，「我們以亞納米級的精度進行工程設(shè)計，試圖在硅系統(tǒng)內(nèi)模仿化學(xué)鍵。所以這就是它被稱為量子類比模擬器（quantum analog simulator）的原因。」

利用機器中的原子晶體管，研究人員模擬了聚乙炔中的共價鍵。

根據(jù) SSH 理論，聚乙炔中有兩種不同的情況，稱為「拓撲狀態(tài)」——取名「拓撲」是因為它們的幾何形狀不同。

在一種狀態(tài)下，你可以在單個碳碳鍵處切斷鏈路，因此在鏈的末端有雙鍵?；蛘?，你可以切斷雙鍵，在鏈的末端留下單鍵，由于單鍵的距離較長，這種做法可以隔開兩端的原子。當電流通過分子鏈時，這兩種拓撲狀態(tài)表現(xiàn)出完全不同的行為。

這就是其中的理論。Simmons 表示：「當我們制造設(shè)備時，我們看到的正是這種行為。所以這非常令人興奮?！?/span>

墨爾本大學(xué)量子計算高級講師 Charles Hill 博士對此表示贊同。

「量子技術(shù)最有前途的應(yīng)用場景之一是使用一個量子系統(tǒng)來模擬其他量子系統(tǒng)，」Hill 說道，「在這項工作中，作者考慮了一個由十個量子點組成的鏈，并用它們來模擬所謂的 SSH 模型。這是一項了不起的工程。用于該演示的量子設(shè)備以亞納米精度制造。這個實驗為將來模擬更大、更復(fù)雜的量子系統(tǒng)鋪平了道路?！?/span>

Simmons 認為，該復(fù)雜生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢在于，你「不是在創(chuàng)造一種你必須發(fā)明并弄清楚如何制造的新材料」。

「我們確實擁有原子亞納米級精度，」她補充道，「原子本身位于硅基體中，因此我們是在用已用于半導(dǎo)體行業(yè)的材料來構(gòu)建系統(tǒng)?！?/span>

「整個設(shè)備中只有兩種原子——磷和硅。我們擺脫了所有其他的東西、所有的接口、電介質(zhì)，所有在其他架構(gòu)中引起問題的東西。這在概念上很簡單，但顯然制作起來很有挑戰(zhàn)性。這是一個漂亮、干凈、物理的、可擴展的系統(tǒng)。」

「挑戰(zhàn)在于如何將原子放在適當?shù)奈恢?，并且你知道它在那里。我們花費十年的時間才弄清楚讓磷原子進入硅基體，并使其受到保護的化學(xué)過程。（其中一項）我們使用的技術(shù)是掃描隧道顯微鏡（STM），一種光刻工具?！?/span>

將硅板置于真空中后，該團隊首先將基板加熱至 1100°C，然后逐漸冷卻至 350°C 左右，形成一個平坦的二維硅表面。然后硅被氫原子覆蓋，可以使用 STM 尖端有選擇地單獨去除。在整個東西被另一層硅覆蓋之前，磷原子被放置在氫原子層中新形成的間隙中。

以原子尺度建模的 SQC 量子器件。

「這意味著我們每次只能制造一個設(shè)備，」 Simmons 坦言，「但我把它當做是一塊瑞士手表——可以非常精確，需要手工制作。我的觀點是，要制作一個可擴展的系統(tǒng)，你就需要這種精度。而精度不夠，你就很難建立一個量子態(tài)，因為你不知道你有什么。所以我們的觀點是：是的，它更慢，但你知道可以獲得什么?！?/span>

一旦設(shè)備被制造出來，研究團隊選擇的算法將具有「歷史意義」。

「模擬算法是理查德 · 費曼從 1950 年代開始的夢想，」Simmons 解釋道?！溉绻阆肓私獯笞匀皇侨绾芜\作的，你必須在那個長度尺度上構(gòu)建它。在亞納米級的精度上，我們能夠模擬出碳分子的單鍵和雙鍵嗎？實際上，我們發(fā)現(xiàn)自己使用的是 25 個磷原子，而不是使用單個原子來模擬碳原子?！?/span>

該團隊發(fā)現(xiàn)他們能夠控制電子沿鏈路進行流動。

「所以，你擁有了個體和局部控制以及擴展控制能力，」Simmons 說。「我們已經(jīng)證明了可以只用六個電極來實現(xiàn) 10 點鏈路。因此，電極比實際點數(shù)要少得多。這對于擴展非常有用。因為從根本上講，在量子計算機中與有源元件相比，你總是希望構(gòu)建較少的門，否則它的可擴展性會很差?！?/span>

新設(shè)備不僅符合 SSH 理論，而且 Simmons 相信量子計算機很快就會開始模擬超出目前最優(yōu)理論的問題?！杆鼮槲覀円郧皬奈聪胂筮^的事物打開了一扇門，這既令人恐懼又令人興奮，」她說。

該設(shè)備與其他量子計算機具有相似的缺點——特別是需要巨大的冷卻系統(tǒng)將工作溫度保持在接近絕對零度的水平，這需要耗費大量能源和成本。

出于商業(yè)機密，Simmons 對 SQC 在初步演示后正在處理的項目守口如瓶。但她仍表示：我們希望將其應(yīng)用于盡可能多的不同事物，看看能發(fā)現(xiàn)什么。」

Nature 論文背后的 SQC 團隊。

「我們可以在整個鏈路上連貫地獲得電子，這一事實告訴我們，這是一個非常量子相干的系統(tǒng)，」她說道，「這讓我們相信其物理系統(tǒng)非常穩(wěn)定。這是對系統(tǒng)純度的證明，可以通向很多不同的路。制造更大的物理系統(tǒng)絕對是其中之一。觀察自旋態(tài)而不是電荷態(tài)是另一回事。」

Simmons 將這個工作描述為「一段旅程」，其展示了跨學(xué)科的特性——量子物理學(xué)家、化學(xué)家、工程師和軟件工程師都參與其中?！笇τ谀贻p人來說，這是一個令人興奮的領(lǐng)域，」她說道?！高@是一個基礎(chǔ)科學(xué)研究項目演變成實用的工具的案例。」

參考鏈接：

http://sqc.com.au/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-worlds-first-quantum-integrated-circuit/

https://cosmosmagazine.com/technology/quantum-computer-coherent-silicon/