去年，谷歌生產(chǎn)了一個(gè)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，它可以比世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)更快地執(zhí)行特定的計(jì)算。像當(dāng)今大多數(shù)最大的量子計(jì)算機(jī)一樣，該系統(tǒng)擁有數(shù)十個(gè)量子比特，即量子比特的量子對應(yīng)物，可在常規(guī)計(jì)算機(jī)中對信息進(jìn)行編碼。

為了制造更大，更有用的系統(tǒng)，當(dāng)今的大多數(shù)原型都必須克服穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)。后者將需要增加信號(hào)和布線的密度，而這在不降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下很難做到。我相信，RIKEN的超導(dǎo)量子電子研究團(tuán)隊(duì)在過去三年中與其他機(jī)構(gòu)合作開發(fā)了一種新的電路布線方案，這為在未來十年內(nèi)擴(kuò)展至100或更多量子位打開了大門。在這里，我討論如何。

挑戰(zhàn)一：可擴(kuò)展性

量子計(jì)算機(jī)使用基于量子力學(xué)原理的復(fù)雜相互作用來處理信息。為了進(jìn)一步解釋這一點(diǎn)，我們必須了解量子位。量子計(jì)算機(jī)是由各個(gè)量子位構(gòu)建而成的，這些量子位類似于常規(guī)計(jì)算機(jī)中使用的二進(jìn)制位。但是，一個(gè)量子位需要維持一個(gè)非常脆弱的量子狀態(tài)，而不是一個(gè)位的零或一個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)。量子位不僅可以是零或一，還可以處于一種稱為疊加的狀態(tài)，即它們同時(shí)處于零和一的狀態(tài)。這允許基于量子位的量子計(jì)算機(jī)針對每個(gè)可能的邏輯狀態(tài)(零或一個(gè))并行處理數(shù)據(jù)，因此，與基于計(jì)算機(jī)的特定類型問題相比，它們可以執(zhí)行更高效，更快的計(jì)算。

但是，與傳統(tǒng)位相比，創(chuàng)建量子位要困難得多，并且需要對電路的量子力學(xué)行為進(jìn)行完全控制。科學(xué)家們提出了一些可靠的方法。在RIKEN，使用一種具有稱為約瑟夫森結(jié)的元素的超導(dǎo)電路來創(chuàng)建有用的量子力學(xué)效應(yīng)。通過這種方式，現(xiàn)在可以使用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的納米加工技術(shù)可靠且重復(fù)地生產(chǎn)量子位。

可伸縮性的挑戰(zhàn)來自于這樣一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)量子位都需要進(jìn)行布線和連接，以產(chǎn)生具有最小串?dāng)_的控件和讀數(shù)。當(dāng)我們經(jīng)過微小的二乘二乘或四乘四乘的量子位陣列時(shí)，我們已經(jīng)意識(shí)到可以包裝相關(guān)布線的密度，并且我們不得不創(chuàng)建更好的系統(tǒng)和制造方法來避免布線字面上越過。

在RIKEN，我們使用自己的接線方案構(gòu)建了一個(gè)四乘四的qubit陣列，其中到每個(gè)qubit的連接是從芯片背面垂直進(jìn)行的，而不是其他組使用的單獨(dú)的“倒裝芯片”接口將布線焊盤帶到量子芯片的邊緣。這涉及到一些復(fù)雜的制造過程，需要通過硅芯片密集排列的超導(dǎo)通孔(電連接)陣列，但它應(yīng)該允許我們擴(kuò)展到更大的器件。我們的團(tuán)隊(duì)正在努力開發(fā)一種64量子位的設(shè)備，我們希望在未來三年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)。接下來的五年中，將有一個(gè)100量子位的設(shè)備作為國家資助的研究計(jì)劃的一部分。該平臺(tái)最終應(yīng)允許在單個(gè)芯片上集成多達(dá)1,000 qubit。

挑戰(zhàn)二：穩(wěn)定性

量子計(jì)算機(jī)的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何應(yīng)對量子位固有的脆弱性，以應(yīng)對溫度等外界力引起的波動(dòng)或噪聲。為了使量子位起作用，需要將其保持在量子疊加或“量子相干”狀態(tài)。在超導(dǎo)量子位的早期，我們可以使這種狀態(tài)持續(xù)僅十億分之一秒?，F(xiàn)在，通過將量子計(jì)算機(jī)冷卻至低溫并創(chuàng)建其他幾種環(huán)境控制措施，我們可以將一致性保持長達(dá)100微秒。平均幾百微秒將使我們能夠在丟失一致性之前執(zhí)行數(shù)千次信息處理操作。

從理論上講，解決不穩(wěn)定問題的一種方法是使用量子錯(cuò)誤校正，即利用幾個(gè)物理量子位對單個(gè)“邏輯量子位”進(jìn)行編碼，然后應(yīng)用一種可以診斷和修復(fù)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)協(xié)議來保護(hù)邏輯量子位。但是，由于許多原因，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍遙遙無期，其中最重要的就是可伸縮性問題。

量子電路

自1990年代以來，量子計(jì)算才成為大事。當(dāng)我開始時(shí)，我對我的團(tuán)隊(duì)是否可以在電路內(nèi)創(chuàng)建和測量量子疊加態(tài)感興趣。那時(shí)，整個(gè)電路是否可以機(jī)械地表現(xiàn)量子還不是很清楚。為了在電路中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子比特并在電路中創(chuàng)建導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，電路還需要能夠支持疊加狀態(tài)。

我們最終想到了使用超導(dǎo)電路的想法。超導(dǎo)狀態(tài)沒有任何電阻和損耗，因此可以簡化以響應(yīng)較小的量子力學(xué)效應(yīng)。為了測試該電路，我們使用了一個(gè)由鋁制成的微型超導(dǎo)島，該島通過一個(gè)約瑟夫森結(jié)(一個(gè)被納米厚度的絕緣勢壘隔開的結(jié))連接到了一個(gè)較大的超導(dǎo)接地電極上，并且捕獲了穿過該結(jié)的隧穿的超導(dǎo)電子對。交界處。由于鋁島的小巧，由于帶負(fù)電的一對之間被稱為庫侖阻塞的效應(yīng)，它最多可以容納一對多余的鋁。島中零個(gè)或一對多余對的狀態(tài)可以用作qubit的狀態(tài)。量子力學(xué)隧穿維持量子位

混合動(dòng)力系統(tǒng)

由于其非常微妙的性質(zhì)，量子計(jì)算機(jī)不太可能在不久的將來進(jìn)入家庭。但是，認(rèn)識(shí)到面向研究的量子計(jì)算機(jī)的巨大好處，谷歌和IBM等工業(yè)巨頭以及世界各地的許多初創(chuàng)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都在加大對研究的投資。

具有完全錯(cuò)誤校正功能的商業(yè)量子計(jì)算平臺(tái)可能仍需要十多年的時(shí)間，但是最新的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)帶來了新的科學(xué)和應(yīng)用的可能性。較小規(guī)模的量子電路已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行了有用的任務(wù)。

例如，我們將我們的超導(dǎo)量子電路平臺(tái)與其他量子力學(xué)系統(tǒng)結(jié)合使用。這種混合量子系統(tǒng)使我們能夠以前所未有的靈敏性來測量集體激發(fā)中的單個(gè)量子反應(yīng)(無論是在磁體中的電子自旋，在基板中的晶格振動(dòng)還是在電路中的電磁場的進(jìn)動(dòng))。這些測量應(yīng)增進(jìn)我們對量子物理學(xué)以及量子計(jì)算的理解。我們的系統(tǒng)也足夠敏感，可以測量單個(gè)光子在微波頻率下，其能量比可見光光子低約五個(gè)數(shù)量級(jí)，而不會(huì)吸收或破壞它。希望這將成為連接遠(yuǎn)距離量子位模塊等的量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

量子互聯(lián)網(wǎng)

將超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)連接到光量子通信網(wǎng)絡(luò)是我們混合系統(tǒng)的另一個(gè)未來挑戰(zhàn)。這將在未來的發(fā)展中發(fā)展，其中包括通過光纜連接的量子互聯(lián)網(wǎng)，讓人聯(lián)想到當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)。但是，即使是電信波長的紅外光的單個(gè)光子也不能在不干擾量子信息的情況下直接撞擊超導(dǎo)量子位，因此必須進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)。我們目前正在研究混合量子系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過其他量子系統(tǒng)將超導(dǎo)量子位的量子信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外光子，反之亦然，例如，涉及一個(gè)微小的聲振蕩器的量子系統(tǒng)。

盡管有許多復(fù)雜的問題需要解決，但科學(xué)家可以看到，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將使未來變得更加廣闊。實(shí)際上，量子科學(xué)已經(jīng)每天都在我們手中。如果不完全了解半導(dǎo)體中電子的性質(zhì)，就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)明晶體管和激光二極管，而這完全是基于對量子力學(xué)的了解。因此，通過智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，我們已經(jīng)完全依賴于量子力學(xué)，并且將來我們只會(huì)變得更加如此。