量子处理器发展的下一步

2023-01-16 16:16:54 来源:EETOP

在为超越半导体的物理限制而开发的大量替代计算方法中,量子计算仍然是一个突出的研究领域,顶尖大学和大型科技公司都在致力于实现该技术所承诺的能力和性能实现。

在本文中,我们将研究来自著名大学和研究机构的三篇科学论文。这些论文的共同点是克服这些问题并进一步扩展量子处理器的目标。

传输半导体量子比特

亚琛工业大学和德国Jülich 研究所的物理学家致力于研究一种增加量子处理器内量子比特数量的新方法,并于2022年 9 月发表了他们关于开发量子信息携带粒子的稳定传输过程的发现。

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这里展示的是带有量子总线的半导体量子芯片,这是 Jülich 研究所和亚琛工业大学 JARA 合作的成果。

使用硅和锗自旋量子位(基于电子和电子空穴自旋的量子位),由Lars Scheiber 博士领导的团队能够创造出一种“量子总线”,能够在 560 nm 的距离内传输电子 5,000 次而不会遇到任何重大错误。

与其他需要精确的信号调整和复杂的控制电子的引导电子的方法相反,亚琛工业大学和尤利希团队提出的方法实现了一个简单得多的系统,只使用四个正弦波作为控制信号,产生一个电势波,根据科学家的说法,电子可以简单地“越过”干扰。

虽然减少干扰解决了量子计算中最大的挑战之一,但Scheiber博士的团队尚未在实践中证明,他们的量子比特在传输后仍能保留电子自旋编码的数据,但他们的理论计算证明,在特定的电子速度范围内使用硅是可能的。

作为欧洲 QuantERA 联盟的一部分,“量子总线”目前是十多项已申请专利的基础,显示出可喜的成果,因为它可能是一次连接和控制数百万量子比特的关键,而不需要目前量子计算机设计所依赖的大规模基础设施。 

增加互连自旋量子位的数量

早在 去年9 月,代尔夫特理工大学量子计算研究所 QuTech 的一组科学家就宣布了他们在开发一种用于缩放量子处理器的新型硅基方法方面的发现。

由Lieven Vandersypen 教授领导的团队使用间隔 90 纳米的电子基量子点阵列创建了一个六自旋量子比特硅芯片,形成了非常类似于传统半导体晶体管的形状。

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六量子比特量子处理器的图像。量子比特是通过调整芯片上红色、蓝色和绿色电线上的电压来创建的。图片由QuTech提供

根据该研究论文,这种结构可以使用微调的微波辐射、磁场和电势来控制,以在单个量子位上读取和写入信息,并使它们相互作用并创建量子逻辑门和两个纠缠系统或每个三个电子。

通过这样做,Lieven Vandersypen 教授的芯片在通用操作、状态准备和量子位测量方面实现了可观的保真度,同时与其他架构相比降低了错误率,这是朝着创建基于硅的容错量子计算机迈出的宝贵一步。

这项研究与其他研究的不同之处在于,QuTech 团队能够在使用熟悉的半导体制造方法生产的芯片上增加量子比特数的同时保持精度,这与需要复杂得多的基础设施开发的超导量子计算机相反。

扩展受量子启发的处理器

该领域的另一项突破来自东京理科大学 (TUS)。由Takayuki Kawahara 教授领导的研究团队正在研究一种新方法,该方法于 去年9 月宣布,旨在开发一种可扩展且完全耦合的量子启发设备。这种设备简称为退火处理器或退火机。

虽然退火机不一定能利用粒子的量子特性,但通过模拟Ising模型的行为(换句话说,描述相互作用的磁铁的自旋),它能够有效地解决投资组合、物流和交通流优化等问题。

Kawahara教授的架构采用28纳米CMOS逻辑(模拟退火而不是量子退火,如D-Wave的量子退火器研究)开发,并具有512个全耦合自旋,于2020年在IEEE SAMI会议上首次提出,尽管当时这个设计由于各个旋转之间的互连数量,难以扩展。

现在,该团队设计了一种新方法,将系统能量状态的计算分配给多个芯片阵列,然后由控制芯片收集,形成最终能量结果,用于更新模拟自旋的值。

TUS 研究人员提出了一种完全连接的可扩展退火处理器。该方法使用由多个耦合芯片和一个控制芯片组成的阵列计算器。图片由东京理科大学提供

这使得该研究小组能够开发出该系统的新版本,即384个自旋的FPGA实现,根据他们的测试,与CPU模拟相比,该系统能够以584倍的速度解决优化问题,并且能效提高46倍。

Kawahara 教授希望进一步研究并创建定制LSI芯片,以提高其方法的容量、性能和效率,希望改进需要解决复杂优化问题的领域,例如药物研究和材料科学。

这一切对未来意味着什么?

显然,2022 年为量子计算带来了积极而充满希望的音符。虽然开发具有数百万而不是少数量子比特的量子处理器还有很长的路要走,但本文涵盖的研究为解决困扰该领域的一些最大挑战的新想法铺平了道路。

研究电子传输、开发容错自旋量子比特系统以及通过使用传统电子学模拟量子结构,可能是绕过量子力学定律所提出的限制的关键,并将量子计算机带出实验室,带入现实世界,解决复杂的现实世界问题。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/news/research-efforts-signal-next-steps-for-quantum-processor-evolution

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