量子计算工程师仅在一个原子中执行多种控制方法

悉尼新南威尔士大学的量子计算工程师已经证明，他们可以在硅内的单个原子中以四种独特的方式编码量子信息(量子计算机中的特殊数据)。

这一壮举可以缓解在短短几平方毫米的硅量子计算机上运行数千万个量子计算单元的一些挑战。

在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中，工程师们描述了他们如何使用锑原子的16种量子“态”来编码量子信息。

锑是一种重原子，可以植入硅中，取代现有的硅原子之一。之所以选择它，是因为它的原子核拥有八个不同的量子态，再加上一个具有两个量子态的电子，总共产生了8x2=16个量子态，所有这些都在一个原子内。使用简单的量子位(或量子位，量子信息的基本单位)达到相同数量的状态需要制造和耦合其中四个。

主要作者艾琳·费尔南德斯·德·富恩特斯(IreneFernandezdeFuentes)表示，该团队在科学会教授安德里亚·莫雷洛(AndreaMorello)的指导下，借鉴了十多年的工作成果，建立了不同的量子控制方法，以证明在同一原子内所有的方法都是可能的。墨尔本大学的同事利用澳大利亚国立大学的重离子加速器设施将锑原子植入中。

“首先，我们证明我们可以通过振荡磁场控制锑的电子，类似于2012年的突破，这是首次在硅中演示量子位，”她说。

“接下来我们展示了我们可以使用磁场来操纵锑原子核的自旋。这是标准的磁共振方法，例如在医院的MRI机器中使用的方法。第三种方法是控制锑原子核具有电场，这是2020年偶然发现的东西。

“第四种方法是使用所谓的触发器量子位的电场来控制锑核和电子彼此相对，该团队去年已经证明了这一点。

“这项最新实验表明，所有四种方法都可以在使用相同架构的同一硅中使用。”

拥有四种不同方法的优点是，每种方法都为计算机工程师和物理学家在设计未来的量子计算时提供了更大的灵活性。

例如，磁共振比电共振更快，但磁场在空间中传播得很广，因此它也可能影响邻近的原子。电共振虽然较慢，但可以非常局部地应用以选择一个特定原子，而不影响其任何邻居。

“有了这个大锑原子，我们就可以完全灵活地将其与硅上的控制结构集成，”莫雷洛教授说。

为什么这很重要

未来的量子计算机将拥有数百万甚至数十亿个量子位，在几分钟内处理数字并模拟模型，而今天的超级计算机需要数百年甚至数千年才能完成。

虽然世界各地的一些团队在大量量子位方面取得了进展，例如Google的70个量子位模型或IBM的超过1000个量子位模型，但他们需要更大的空间才能让量子位在互不干扰的情况下工作。

但莫雷洛教授和新南威尔士大学其他同事采取的方法是利用已经用于制造传统计算机的技术来设计量子计算。虽然工作量子位数量方面的进展可能较慢，但使用硅的优势意味着在一平方毫米的中能够拥有数百万个量子位。

“我们正在投资一种更难、更慢的技术，但有充分的理由，其中之一就是它将能够处理极高的信息密度，”莫雷洛教授说。

“一平方毫米内有2500万个原子固然很好，但你必须一一控制它们。灵活地利用磁场、电场或它们的任意组合来做到这一点，将为我们带来很多扩展系统时可以使用的选项。”

回到实验室

接下来，该小组将利用锑原子的巨大计算空间来执行比普通量子位所提供的复杂得多的量子运算。他们计划在原子内编码一个“逻辑”量子位——一个建立在两个以上量子水平上的量子位，以获得足够的冗余来检测和纠正发生的错误。

“这是实用、有用的量子计算机硬件的下一个前沿，”莫雷洛教授说。

“能够在单个原子内构建纠错逻辑量子位，将为将硅量子硬件扩大到商业用途提供巨大的机会。”

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