Nature刊登量子計算重大進展：有史以來第一個量子積體電路實現

6 月 23 日，澳洲量子運算公司 SQC（Silicon Quantum Computing）宣布推出全球第一個量子積體電路。這是一個包含經典電腦晶片上所有基本組件的電路，但體積是在量子尺度上。

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——最終證明了新量子系統建模技術的有效性。

「這是一個重大突破，」SQC 創辦人 Michelle Simmons 說。由於原子之間可能存在大量相互作用，如今的經典電腦甚至難以模擬相對較小的分子。 SQC 原子級電路技術的開發將使該公司及其客戶建立一系列新材料量子模型，無論是藥物、電池材料或催化劑。用不了多久，我們就可以開始實現以前從未存在過的新材料。 」

這項研究成果登上了新一期的《自然》雜誌。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

在量子層面上復刻經典電腦

就像普通（經典）電腦一樣，量子電腦使用電晶體來編碼資訊。但是，與經典電腦不同的是，量子電腦的電晶體是在量子尺度上的——小到只有一個原子的大小。經典電腦使用位元 0 和 1，而量子電晶體使用 0、1 或 0 和 1 的混合來編碼量子資訊。

工程師可以利用單原子​​電晶體的量子效應來計算。但是在量子世界裡，事情就沒那麼簡單了。

在量子世界裡，粒子以「疊加態」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，而是用機率來表示。透過疊加，量子位元可以儲存比普通位元複雜得多的多維計算資料。

因此，量子電腦有望比經典電腦快數千倍，甚至數百萬倍，執行計算的效率甚至遠高於最強大的經典電腦。

不過，它們還有其他的神奇之處。

當疊加態擴展到多個系統或原子時，你就會得到一個「糾纏態」，也就是量子位元之間彼此相關聯。當量子比特糾纏在一起時，它們的變化就會影響彼此。這種量子效應有望應用到加密領域。

但同時，這種效應也為科學家製造可用的量子電腦帶來了麻煩。

最重要的是，量子系統的機率性質意味著它們非常容易出錯。因此，創造量子機器的一個主要挑戰是使它們具有相干性，以減少訊號中的雜訊。 SQC 團隊認為他們破解的正是這個問題。

「要創造一台量子計算機，我們必須在原子尺度上工作，這樣我們才能觸及量子態，並讓它們相干，且速度快。」SQC 創始人、論文通訊作者Michelle Simmons 介紹。

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，並在2021 年製造了第一個原子規模的積體電路。 「我們正在關注的是下一個設備——在我們製造出人們可以使用的量子電腦之前，我們還需要解決某種與商業相關的演算法。剛開始的時候，我們不知道我們會在那個電路上展示什麼。」

該團隊選擇了聚乙炔－一種碳基分子鏈，化學式為(C2H2)n，其中n 代表重複。

聚乙炔結構圖

#聚乙炔中的原子透過共價鍵結合在一起。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，它採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性質。 Simmons 說，「這是一個可以用經典電腦解決的眾所周知的問題，因為其中只有很少的原子，一台經典電腦就可以處理所有的相互作用。但我們現在嘗試用量子系統來解決它。」

聚乙炔的棍棒模型顯示了碳原子（深灰色）和氫原子（淺灰色）之間的單鍵和雙鍵

那麼SQC 團隊是如何在他們的量子裝置上模擬聚乙炔的呢？

「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，「我們以亞奈米級的精度進行工程設計，試圖在矽系統內模仿化學鍵。所以這就是它被稱為量子類比模擬器（quantum analog simulator）的原因。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 SSH 理論，聚乙炔中有兩種不同的情況，稱為「拓樸狀態」－取名「拓樸」是因為它們的幾何形狀不同。

在一個狀態下，你可以在單一碳碳鍵處切斷鏈路，因此在鏈的末端有雙鍵。或者，你可以切斷雙鍵，在鏈的末端留下單鍵，由於單鍵的距離較長，這種做法可以隔開兩端的原子。當電流通過分子鏈時，這兩種拓撲狀態表現出完全不同的行為。

這就是其中的理論。 Simmons 表示：「當我們製造設備時，我們看到的正是這種行為。所以這非常令人興奮。」

墨爾本大學量子計算高級講師Charles Hill 博士對此表示贊同。

「量子技術最有前途的應用場景之一是使用量子系統來模擬其他量子系統，」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，並用它們來模擬所謂的SSH 模型。這是一項了不起的工程。用於該演示的量子設備以亞奈米精度製造。這個實驗為將來模擬更大、更複雜的量子系統鋪平了道路。」

Simmons 認為，該複雜生產流程的優勢在於，你「不是在創造一種你必須發明並弄清楚如何製造的新材料」。

「我們確實擁有原子亞奈米級精度，」她補充道，「原子本身位於矽基體中，因此我們是在用已用於半導體行業的材料來構建系統。」

「整個裝置中只有兩種原子－磷和矽。我們擺脫了所有其他的東西、所有的介面、電介質，所有在其他架構中造成問題的東西。這在概念上很簡單，但顯然製作起來很有挑戰性。這是一個漂亮、乾淨、物理的、可擴展的系統。」

「挑戰在於如何將原子放在適當的位置，並且你知道它在那裡。我們花費十年的時間才弄清楚讓磷原子進入矽基體，並使其受到保護的化學過程。（其中一項）我們使用的技術是掃描穿隧顯微鏡（STM），一種光刻工具。」

將矽板置於真空中後，該團隊首先將基板加熱至1100°C，然後逐漸冷卻至350°C 左右，形成一個平坦的二維矽表面。然後矽被氫原子覆蓋，可以使用 STM 尖端選擇性地單獨去除。在整個東西被另一層矽覆蓋之前，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 量子元件

「這表示我們每次只能製造一個設備，」 Simmons 坦言，「但我把它當做是一塊瑞士手錶——可以非常精確，需要手工製作。我的觀點是，要製作一個可擴展的系統，你就需要這種精度。而精度不夠，你就很難建立一個量子態，因為你不知道你有什麼。所以我們的觀點是：是的，它更慢，但你知道可以獲得什麼。」

##一旦設備被製造出來，研究團隊選擇的演算法將具有「歷史意義」。

「模擬演算法是理查德 · 費曼從 1950 年代開始的夢想，」Simmons 解釋道。 「如果你想了解大自然是如何運作的，你必須在那個長度尺度上建構它。在亞奈米等級的精確度上，我們能夠模擬出碳分子的單鍵和雙鍵嗎？實際上，我們發現自己使用的是25 個磷原子，而不是使用單個原子來模擬碳原子。」

#該團隊發現他們能夠控制電子沿著鏈路進行流動。

「所以，你擁有了個體和局部控制以及擴展控制能力，」Simmons 說。 「我們已經證明了可以只用六個電極來實現10 點鏈路。因此，電極比實際點數要少得多。這對於擴展非常有用。因為從根本上講，在量子電腦中與主動元件相比，你總是希望建造較少的門，否則它的可擴展性會很差。」

新設備不僅符合SSH 理論，而且Simmons 相信量子電腦很快就會開始模擬超出目前最優理論的問題。 「它為我們以前從未想像過的事物打開了一扇門，這既令人恐懼又令人興奮，」她說。 該設備與其他量子電腦具有相似的缺點——特別是需要巨大的冷卻系統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。

出於商業機密，Simmons 對 SQC 在初步演示後正在處理的項目守口如瓶。但她仍表示：我們希望將其應用於盡可能多的不同事物，看看能發現什麼。 」

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