2015 年，新南威爾士大學量子大牛 Andrew Dzurak 教授曾經(jīng)帶領(lǐng)他的團隊實現(xiàn)一項量子計算機的里程碑成果——用半導體材料硅制造出量子邏輯門 (quantum logic gate)，首次使兩個量子比特(quantum bits) 或者 “量子位”(qubits) 間信息計算成為可能。作為打造量子計算機的基本元件，兩比特量子邏輯門的成功制造具有里程碑意義。當時，這一重要成果發(fā)表在了 Nature 上。

在成為首個在硅片上創(chuàng)建雙量子比特門的團隊之后，4 年過去了，他們又在打造基于硅片的量子計算機上邁出一大步——測量了硅雙量子比特操作的準確性，這次論文也已經(jīng)于 5 月 13 日在 Nature 在線發(fā)表。

這是科學家有史以來第一次測量了硅的雙量子位邏輯運算的保真度。這項非常有前景的研究結(jié)果可以擴展應用到全集成量子芯片。隨著 Andrew Dzurak 團隊在硅量子研究的到位，在打造量子計算機的全球競賽中，悉尼有望成為新的焦點。

“量子計算是本世紀的太空競賽，而悉尼正處于領(lǐng)先地位，”對于團隊取得的成果，新南威爾士大學工程學院院長 Hoffman 教授如此評價。他認為，這一突破證明這個世界領(lǐng)先的團隊正在將量子計算從理論范圍擴展到實際生活中。“這是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機的又一個里程碑式進展，它更加證實了硅是極具吸引力的方法這個事實?！?/p>

基于現(xiàn)有的硅基半導體技術(shù)打造一款真正意義上的量子芯片，一直是這支研究隊伍的目標，如果他們能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標，長久以來在現(xiàn)有的半導體工業(yè)中占據(jù)絕對主導地位的硅，又將在量子計算機領(lǐng)域煥發(fā)“第二春”。

量子計算研究已驗證關(guān)鍵一步

量子計算機能通過利用量子物理學中的兩個神奇原理，“糾纏（entanglement）”和 “疊加（superposition）”，以指數(shù)形式擴展計算機的處理速度。因為我們?nèi)粘Ｓ玫?a target="_blank">電腦中，存儲和運算的單元態(tài)是“0” 和“1”，而量子計算中量子比特可以同時存儲 0,1 的任意組合。也正是由于量子計算機一次可以存儲多個值，所以可以同時處理它們，一次執(zhí)行多個操作。

這將使量子計算機在解決一系列重要問題時，比傳統(tǒng)計算機快數(shù)百萬倍。對于一些具有挑戰(zhàn)性的問題，例如設計復雜藥物和先進材料、大型數(shù)據(jù)庫搜索等，量子計算機可以在幾天，甚至幾個小時內(nèi)就找到解決方案，而當今最好的傳統(tǒng)超級計算機則需要數(shù)百萬年。設計并建造一臺這種真正意義上的通用量子計算機被稱為“21 世紀的太空競賽”，是一場劃時代的科學革命。

圖丨雙量比特器件的布局和操作（來源：Nature）

然而，為了解決這些有挑戰(zhàn)性的問題，并考慮到量子糾錯等問題，科學家估計一臺通用型的量子計算機往往需要大量數(shù)目的量子比特，很可能是幾百萬個，而且需要它們很穩(wěn)定地工作。

此外，量子計算機的打造仍然存在幾大挑戰(zhàn)，例如如何最大限度地長時間保留其量子態(tài)疊加（這將有利于保留更長時的量子信息），如何更好地容錯等等。目前我們所知的所有類型的量子比特都是非常脆弱的，因此任何微小的計算錯誤都可能給最終結(jié)果帶來不可忽視的影響。

圖丨Andrew Dzurak（來源：YouTube）

其中最基礎(chǔ)的一個問題是，所有的量子計算都可以由一個量子比特或雙量子比特的運算完成，這些量子計算的核心計算單元能否支撐準確的運算。2015 年，Dzurak 的團隊率先在硅片上進行量子邏輯門的研究，通過雙量子比特信息計算，以推進硅量子計算機的研發(fā)。此后，世界各地的許多團體都證實了硅能做出雙量子比特邏輯門。但此前，這種雙量子比特邏輯門的保真度尚不清楚。

保真度對量子成功至關(guān)重要。參與此次研究的高級研究員 Henry Yang 表示：“保真度是一個非常重要的參數(shù)，它決定了量子比特技術(shù)的可行性。如果量子比特操作接近完美，你能利用強大的量子計算能力進行運算，并只產(chǎn)生很小的誤差?！?/p>

在這項研究中，該團隊實施了基于“Clifford”（一種可以評估量子比特精度的技術(shù)）的保真度基準測試，研究結(jié)果證明平均兩個量子比特邏輯門的保真度為 98％。

論文的第一作者、新南威爾士大學電氣工程專業(yè)博士生 Wister Huang 說：“我們通過確認并減少主要誤差獲得了高保真度，并且使得我們的雙量子器件十分可靠，能夠達到長邏輯門運算序列的標準，甚至可以支持 50 多個邏輯門的運算?！?/p>

圖丨Andrew Dzurak教授及其團隊中的兩位重要人員電氣工程專業(yè)博士生Wister Huang、高級研究員Henry Yang博士（來源：UNSW SYDNEY）

“硅是必經(jīng)之路”？

除了首次驗證硅雙量子比特運算的保真度以外，研究人員表示，此次成果亦進一步證明，硅作為技術(shù)平臺非常適合擴展到通用量子計算上。

世界各地的科學家都在致力于利用特殊材料開發(fā)新型量子計算系統(tǒng)，新南威爾士研究團隊的一個獨特之處就在于，利用傳統(tǒng)半導體材料硅作為研究材料。

“如果硅量子計算準確度太低，那將導致嚴重的問題。而現(xiàn)在，這個結(jié)果一度接近 99％，說明它能很好地滿足我們的需求，并且有進一步改進的良好前景。正如我們預測的那樣，研究結(jié)果顯示出硅是全集成量子計算的可行平臺，“ Dzurak 教授說，“我們認為在不久的將來我們會獲得更高的保真度，并有望開啟全集成、高容錯量子計算的道路。我們現(xiàn)在處于雙量子位精度時代的邊緣，而量子糾錯能力正好與之相稱?！?/p>

圖丨雙量子比特隨機基準測試（來源：Nature）

硅作為晶體管的載體在制造計算機芯片方面具有顯著優(yōu)勢。

鑒于硅已經(jīng)成為全球計算機行業(yè)近 60 年的核心元素，其性能已經(jīng)得到很好的工業(yè)認可。由 Dzurak 教授團隊開發(fā)的基于硅 CMOS 技術(shù)的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子計算方面有很大的前景，有潛力利用現(xiàn)有的集成電路技術(shù)生成大量用于實際應用的量子比特。

Dzurak 教授已經(jīng)領(lǐng)導了一個項目，與澳大利亞第一家量子計算公司 Silicon Quantum Computing 來推進 CMOS 硅量子技術(shù)發(fā)展，正致力于開發(fā)一種可用于現(xiàn)實應用的量子芯片。

按照團隊的設想，首款全集成的量子芯片（A full-scale quantum processor ）會主要應用在金融、安全和醫(yī)療行業(yè)。它能大大加速制藥化合物的計算機輔助設計過程，有助于識別和開發(fā)新藥物。它還有助于開發(fā)新型更輕、更強的材料，可以用于飛機上的消費類電子產(chǎn)品。另外，它還能加速大型數(shù)據(jù)庫的信息搜索。

如果硅真的如 Dzurak 所言，是量子計算的必經(jīng)之路，那么，在目前幾家押注通用量子計算的商業(yè)機構(gòu)中，英特爾可能會笑到最后。

英特爾、IBM、微軟、谷歌等公司都已在從事開發(fā)通用的量子計算機，但英特爾選擇的路線和這幾家稍有不同，它和新南威爾士團隊一樣，選擇基于硅而非超導體作為量子比特的載體的技術(shù)路線。其實，英特爾本身已經(jīng)具備大量基于硅的半導體專業(yè)技術(shù)和設備，在大規(guī)模生產(chǎn)硅量子上具有先發(fā)優(yōu)勢。

圖丨高頻振蕩電磁場中的單個硅原子電子自旋。（來源：Arne Laucht/UNSW）

不過，總體來看，全球無論是商業(yè)公司、科研機構(gòu)還是政府部門，在量子計算研究上取得的進展普遍低于預期，例如，谷歌曾經(jīng)宣布要在 2017 年實現(xiàn)量子霸權(quán)，但目前這一目標未見達成。量子信息技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了廣泛的原理性驗證，是否能真正走出實驗室，走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，我們拭目以待。