近日，新南威尔士大学量子计算与通信技术卓越中心(CQC2T)研究人员首次证明：他们可以在三维设备中构建原子精确量子位——这是迈向通用量子计算机的又一重大步骤。
2018年度杰出澳大利亚人、CQC2T 主任 Michelle Simmons 教授表示，他们能够拓展原子级量子位制造技术，使之应用于多层硅晶体，从而实现了他们2015年发明的三维芯片架构中一个关键元件。这项新研究于1月7日发表在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上。这个小组是第一个展示这种架构的可行性小组，这种架构使用原子尺度的量子位元对齐来控制三维设计中的线(本质上是非常窄的线)。更重要的是该团队能够将3d设备中的不同层与纳米精度对齐，并显示出他们能够在单次拍摄(即在一次测量中)以非常高保真度读出量子位元状态。
论文作者 Joris Keizer 博士与 Michelle Simmons 教授
技术
2015年，新南威尔士大学的研究人员们设计出一种基于单原子量子位的三维硅芯片架构，这种芯片架构兼容原子级制造技术。在概念设计中，他们从沿着一条线排列成一维量子位阵列，发展成位于同一平面上的二维量子位阵列，而二维阵列的纠错能力更强。
在三维架构中，量子位层像三明治一般夹在两个“线网”层之间。向其中的一些线施加电压，可并行控制多个量子位，达到以较少的控制来进行一系列运算的目的。重点在于，他们实现了二维”表面代码（surface code）“纠错协议。通过这一纠错协议，计算中存在的任何潜在错误都能得到及时纠正。
在近期的研究中，该研究小组首先论证了这种架构的可行性。在这种三维设计内部，该架构采用与控制线对齐的原子级量子位，而控制线其实就是非常细的线。此外，团队也在三维器件中以纳米精度对齐不同的层，并展示了一次读出多个量子状态，也就是说，一次测量达到非常高的保真度。
Simmons 教授表示：“对于原子级的硅量子位来说，这种三维器件架构是一个显著的进展。为了能持续纠正量子计算中的错误（我们的领域中一个非常重要的里程碑），你必须能并行地控制许多个量子位。”
“实现这一点的唯一方法就是采用三维架构，因此在2015年，我们开发出一个垂直交叉的架构，并申请了专利。然而，这种多层器件的制造还面临着一系列的相关挑战。现在，我们通过这一成果可以说明，像我们几年前展望的那样，我们的方案设计可以设计成三维的。”
在这篇论文中，团队论证了如何去构建量子位的第二个控制平面，或者说，位于第一层之上的那一层。CQC2T 研究员、论文合著者之一的 Joris Keizer 表示：“这是高度复杂的工艺，但是简单来说，我们构建了第一个平面，然后优化了一项技术来生长第二层，且不影响第一层中的结构。”
“过去，批评者们会说，这是不可能的，因为第二层的表面变得非常粗糙，你无法在使用我们的精准技术。然而出乎意料的是，在这篇论文中，我们说明了我们可以做到。” 团队也表明了，他们然后能以纳米精度对齐这些多层结构。
Keizer 博士说：“如果你在第一个硅层上写一些东西，然后在上面再放置一个硅层，你仍然需要确定你的位置，将两层中的元件对齐。我们展示的技术能够实现5纳米的对齐精度，这是相当奇特的。”
最后，研究人员们能够“单次”测量出三维器件的量子位输出，也就是说，依靠一次精准的测量，而不是必须依靠几百万次实验的平均值。 Keizer 博士解释道：“这将进一步帮助我们更快地扩大规模。”
价值
Simmons 教授表示，这项研究是这一领域的一个重要里程碑。她说：“我们正在系统性地展开工作，朝着让我们走向这项技术最终商业化的大规模架构迈进。”
她总结道：“虽然我们离大规模商用的量子计算机至少还有十年之遥，但 CQC2T 的工作还是处于这一领域的前沿。诸如此类的具体成果，向国际重申了我们在这方面处于强有力的地位。”
