新的自旋控制方法：加速数十亿量子比特量子芯片的到来

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如何使用新的“固有自旋轨道EDSR”过程控制多个量子位。资料来源：托尼·梅洛夫

澳大利亚工程师发现了一种精确控制位于运行逻辑门的量子点中的单个电子的新方法。更重要的是，新机制体积更小，需要的部件更少，这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和新南威尔士大学悉尼的工程师们偶然发现的这一偶然发现在《自然纳米技术》杂志上有详细介绍。

“这是一种我们以前从未见过的全新效果，起初我们不太了解，”主要作者Will Gilbert博士说，他是位于悉尼校区的新南威尔士大学衍生公司DIraq的量子处理器工程师。“但很快就清楚，这是一种控制量子点自旋的强大新方法。这真是太令人兴奋了。

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）协同工作以处理信息。然而，量子比特（或量子比特）同时存在于这两种状态下，这种情况称为“叠加态”。这允许多种计算策略 - 一些指数级快，一些同时运行 - 超越经典计算机。量子比特本身由“量子点”组成，“量子点”是可以捕获一个或几个电子的微小纳米器件。精确控制电子对于计算是必要的。DIraq工程师发现了一种精确控制单个电子的新方法，这些电子位于运行逻辑门的量子点中，使实现十亿量子比特量子芯片的现实更加接近。更重要的是，新机制体积更小，需要的部件更少，这对于使大规模硅量子计算机成为现实至关重要。信用：迪伊拉克

用电场代替磁场

在试验控制量子点的十亿分之一米大小的设备的不同几何组合，以及驱动其操作的各种类型的微型磁铁和天线时，Tuomo Tanttu博士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比特门，遍历许多不同的设备，略有不同的几何形状，不同的材料堆栈和不同的控制技术，”DIraq的测量工程师Tanttu博士回忆道。“然后这个奇怪的山峰突然出现。看起来其中一个量子比特的旋转速度正在加快，这是我在运行这些实验的四年中从未见过的。

工程师们后来意识到，他发现的是一种通过使用电场而不是他们以前使用的磁场来操纵单个量子比特的量子态的新方法。自 2020 年发现以来，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个工具，以实现 DIraq 在单个芯片上构建数十亿量子比特的雄心壮志。

艺术家的概念是，量子点内的单个量子比特响应微波信号而翻转。资料来源：托尼·梅洛夫

“这是一种操纵量子比特的新方法，而且构建起来不那么笨重 - 你不需要制造钴微磁铁或量子比特旁边的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。所以，杂乱更少了。

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）;和电偶极自旋共振（EDSR），它依赖于感应梯度磁场。新发现的技术被称为“固有自旋轨道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的电场比我们想要的要多 - 事实证明这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子比特的新效果。这对你来说只是偶然。

DIraq在澳大利亚悉尼的一个实验室的鸟瞰图。资料来源：肖恩·多尔蒂

该发现加速硅量子计算的发展

“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的宝库，”DIraq首席执行官兼创始人，新南威尔士大学量子工程教授Andrew Dzurak教授说，他领导的团队在2015年建造了第一个硅量子逻辑门。

“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，我们的方法将使商业生产更容易，更快地扩展，并实现我们在单个芯片上制造数十亿量子位的目标。

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。

单个量子比特的图示，因为 ir 开始响应微波信号而加速，并且电子开始在量子点内嘎嘎作响。资料来源：托尼·梅洛夫

建造量子计算机被称为“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。

“我们经常认为登陆月球是人类最伟大的技术奇迹，”Dzurak说。“但事实是，今天的CMOS芯片 - 数十亿个操作设备集成在一起，像交响乐一样工作，你把它放在口袋里 - 这是一项惊人的技术成就，并且彻底改变了现代生活。量子计算将同样令人惊讶。

原标题：《新的自旋控制方法加速数十亿量子比特量子芯片的到来！》

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