你还记得谷歌制造出一台53量子比特量子计算机原型的科技大新闻吗？量子计算机执行特定计算的速度，比世界上最快的超级计算机快得多。就像目前大多数量子计算机一样，这个系统拥有53个量子比特，量子比特相当于传统计算机中编码信息的比特。为了制造更大、更有用的量子计算机系统，目前大多数量子计算机原型都必须克服稳定性和可扩展性方面的挑战。
可扩展性将需要增加信号和布线的密度，这很难做到而不降低系统的稳定性。日本理化学研究所（RIKEN）超导量子电子研究小组在过去三年里与其他机构合作开发出一种新的电路布线方案，为在未来十年内扩大到100个或更多量子比特打开了大门。量子计算机以量子力学原理为基础，使用精细而复杂的相互作用来处理信息。为了进一步解释这一点，我们必须理解量子比特。
挑战一：可扩展性
量子计算机是由单个量子比特为基础建造，这些量子比特类似于传统计算机中使用的二进制比特。但是，量子比特需要保持非常脆弱的量子态，而不是二进制比特的0或1个二进制态。不只是0或1，量子比特还可以处于一种称为叠加的状态，在某种程度上，它们同时处于0和1的状态。这使得基于量子比特的量子计算机，可以并行处理每个可能的逻辑状态(0或1)数据，因此它们可以比针对特定类型问题基于传统计算机执行更有效、从而更快的计算。
然而，与传统的二进制比特相比，创建量子比特要困难得多，而且需要完全控制电路的量子力学行为。科学家们已经想出了几种方法，可以在一定程度上可靠地做到这一点。在日本理化学研究所（RIKEN），一种含有一种叫做约瑟夫森结元件的超导电路，被用来创造一种有用的量子力学效应。通过这种方式，现在可以用半导体工业中常用的纳米制造技术可靠地、重复地生产量子比特。
可扩展性的挑战来自这样一个事实，即每个量子比特都需要布线和连接，以产生最小串扰的控制和读出。当经过二乘二或四乘四的量子位小阵列时，科学家已经意识到相关的线路可以被包装得多么密集，所以必须创造更好的系统和制造方法，以避免线路交叉。使用的布线方案建立了一个4乘4量子比特阵列，每个量子比特的连接都是从芯片的背面垂直进行。
而不是像其他团队将布线垫带到量子芯片边缘的单独的“倒装芯片”接口。这涉及到一些复杂的制造，通过硅芯片形成密集的超导通孔(电连接)阵列，但它应该可以扩大到更大的设备。研究团队正在努力研制一种64量子比特的设备，并希望在未来三年内推出，然后是一个100量子比特的设备，作为国家资助研究计划的一部分，再过五年，或将最终能实现在单个芯片上集成多达1000个量子比特的量子计算机。
挑战二：稳定性
量子计算机面临的另一个主要挑战是：如何处理量子比特对温度波动和噪音等的影响。为了让量子比特发挥作用，它需要保持在量子叠加状态，即“量子相干”。在超导量子比特的早期，可以使这种状态只持续几纳秒。现在，通过将量子计算机冷却到低温，并建立其他几种环境控制，可以保持量子相干长达100微秒。虽然只有几百微秒，但在量子叠加态之前，实现平均执行几千次信息处理操作。
从理论上讲，可以处理不稳定性的一种方法是使用量子纠错，利用几个物理量子比特来编码单个“逻辑量子比特”，并应用可以诊断和修复错误的纠错协议来保护逻辑量子比特。但由于许多原因，实现这一点仍很遥远，其中最重要的是可扩展性问题。自20世纪90年代以来，在量子计算成为一件大事之前，很多科学家感兴趣的是能否在电路中创建和测量量子叠加态。
量子电路
当时，电路作为一个整体是否可以表现为量子力学，这一点并不明显。为了在电路中实现稳定的量子比特，并在电路中创建通断状态，电路还需要能够支持叠加态。科学家最终想出了使用超导电路的想法，超导体没有电阻和损耗，因此它的流线型可以响应比较微弱的量子力学效应。为了测试这个电路，研究使用了一个由铝制成的微尺度超导岛，通过约瑟夫森结（由纳米厚的绝缘势垒隔开的结）：
连接到一个更大的超导接地电极，并捕获了隧穿结的超导电子对。由于铝超导岛很小，负电荷对之间的库仑阻塞效应，它最多只能容纳一个多余的对。岛中0或1过剩对的状态，可以用作量子比特的状态。量子力学隧穿保持了量子比特的相干性，并能使科学家创建完全由微波脉冲控制的状态叠加。由于其非常微妙的性质，量子计算机短期内不太可能进入普通家庭普及民用。
混合系统
认识到研究量子计算机的巨大好处，谷歌和IBM等科技巨头以及世界各地的许多初创公司和学术机构都在越来越多地投资研究量子计算机。完全纠错的商用量子计算平台可能还需要十多年时间，但最先进的技术发展，已经带来了新的科学和应用的可能性。较小规模的量子计算机已经在实验室中执行了有用的任务。例如，将超导量子电路平台与其他量子力学系统结合使用。
这种混合量子系统能以前所未有的灵敏度，测量集体激发中的单个量子反应，无论是磁铁中电子自旋的进动，衬底中的晶格振动，还是电路中的电磁场。这些测量应该会促进我们对量子物理的理解，并随之而来的是量子计算，如果系统也足够灵敏，可以在微波频率下测量单个光子，其能量大约比可见光光子低五个数量级，而不会吸收或破坏它，科学家希望这将成为连接量子比特模块等量子网络的基石。
量子互联网
将超导量子计算机连接到光量子通信网络，是混合系统未来的另一个挑战。这将是根据对未来的预期而开发，未来将包括通过光缆连接的量子互联网，这让人想起今天的互联网。然而，即使是电信波长的单光子红外光，也不可能在不干扰量子信息的情况下直接击中超导量子比特，所以必须仔细的设计，科学家目前正在研究混合量子系统，它通过其他量子系统：
例如涉及微型声学振荡器的系统，将量子信号从超导量子比特转换到红外光子，反之亦然。尽管许多复杂的问题需要克服，但科学家们可以看到一个由量子计算机增强的未来即将到来。事实上，量子科学不少应用已经掌握在我们手中，如果没有对半导体中电子性质的正确理解，晶体管和激光二极管就永远不会发明，这完全是基于对量子力学的理解，未来我们只会变得更加依赖量子力学。
博科园｜研究/来自：日本理化学研究所
参考期刊《科学》《自然物理》《物理评论快报》
DOI: 10.1126/science.aaz9236
DOI: 10.1038/s41567-020-0797-9
博科园｜科学、科技、科研、科普
关注【博科园】看更多大美宇宙科学
