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量子信息
2022/9/27 15:03

量子总线连接量子芯片取得突破,或是商用量子计算机关键

C114通信网  南山

C114讯 9月27日消息(南山)要证明量子计算机在实际应用中的价值,需要数百万的量子比特,可扩展性是未来量子计算机发展的最大挑战之一。其中一个问题是,量子比特必须在芯片上彼此非常接近,以便将它们耦合在一起。

尤利希研究中心和亚琛工业大学的研究人员现在已经向解决这个问题迈进了一大步。他们成功地将电子——量子信息的载体--在一个量子芯片上传输了几微米。他们的 "量子总线"可能是掌握跃迁到数百万量子比特的关键部件。

量子计算机有可能在某些任务上大大超过传统计算机的能力,但在能够帮助解决现实世界的问题之前,还有很长的路要走。许多应用需要具有数百万量子比特的量子处理器。今天的原型机仅仅具有几个这样的计算单元。

"目前,每个单独的量子比特通过几条信号线,连接到大约一个橱柜大小的控制单元。这对几个量子比特来说仍然有效。但如果你想在芯片上放置数百万个量子比特,它就不再有意义了,因为那是量子纠错所必需的。"来自尤利希研究中心JARA量子信息研究所和亚琛工业大学的Lars Schreiber博士说。

采用量子总线的量子芯片
采用量子总线的量子芯片

在某种程度上,信号线的数量成为一个瓶颈。与微小的量子比特尺寸相比,这些线路占用了太多的空间。而且,一个量子芯片不可能有数以百万计的输入和输出--一个现代的经典芯片只包含大约2000个这样的输入和输出。

两所机构的总体目标是将部分控制电子设备直接集成在芯片上。该方法是基于由硅和锗制成的半导体自旋量子比特,这种类型的量子比特相对较小。其制造过程与传统的硅处理器的制造过程基本一致。当涉及到实现非常多的量子比特时,这被认为是有利的,但首先必须克服一些基本的障碍。

“仅由粒子的接近引起的自然纠缠被限制在一个非常小的范围内,大约100纳米。为了使量子比特耦合,它们目前必须被放在非常靠近对方的地方。”Lars Schreiber说:“那里根本没有空间安装我们想安装的额外控制电子装置。”

 Lars Schreiber博士(左二)和Hendrik Bluhm教授(右一)与JARA量子信息研究所的博士生Tom Struck(左一)和Niels Focke(右二)在一起。

Lars Schreiber博士(左二)和Hendrik Bluhm教授(右一)与JARA量子信息研究所的博士生Tom Struck(左一)和Niels Focke(右二)在一起。

为了将量子比特分开,JARA量子信息研究所提出了一个量子穿梭机的想法。这个特殊的组件应该有助于在更远的距离上在量子比特之间交换量子信息。研究人员已经研究了“量子总线”5年,并申请了10多项专利。这项研究是作为欧洲QuantERA联盟Si-QuBus的一部分开始的,现在正与工业伙伴一起在德国联邦教育和研究部(BMBF)的国家项目QUASAR中继续进行。

"从一个量子比特到下一个量子比特必须有大约10微米的桥接。根据理论,数以百万计的量子比特可以通过这样的架构实现。我们最近与尤利希研究中心的工程、电子和分析中央研究所的电路工程师合作预测了这一点,"JARA量子信息研究所所长Hendrik Bluhm教授解释。代尔夫特理工大学和英特尔的研究人员也得出了同样的结论。

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