Nature刊登量子计算重大进展：有史以来第一个量子集成电路实现

6 月 23 日，澳大利亚量子计算公司 SQC（Silicon Quantum Computing）宣布推出世界上第一个量子集成电路。这是一个包含经典计算机芯片上所有基本组件的电路，但体量是在量子尺度上。

SQC 团队使用这种量子处理器准确地模拟了一个有机聚乙炔分子的量子态——最终证明了新量子系统建模技术的有效性。

「这是一个重大突破，」SQC 创始人 Michelle Simmons 说道。由于原子之间可能存在大量相互作用，如今的经典计算机甚至难以模拟相对较小的分子。SQC 原子级电路技术的开发将使公司及其客户构建一系列新材料量子模型，无论是药物、电池材料还是催化剂。用不了多久，我们就可以开始实现以前从未存在过的新材料。」

该研究结果登上了新一期的《自然》杂志。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

在量子层面上复刻经典计算机

就像普通（经典）计算机一样，量子计算机使用晶体管来编码信息。但是，与经典计算机不同的是，量子计算机的晶体管是在量子尺度上的——小到只有一个原子的大小。经典计算机使用比特 0 和 1，而量子晶体管使用 0、1 或 0 和 1 的混合来编码量子信息。

工程师可以利用单原子晶体管的量子效应进行计算。但是在量子世界里，事情就没那么简单了。

在量子世界里，粒子以「叠加态」的形式存在——它们的位置、动量和其他物理属性不是由单一值定义的，而是用概率来表示。通过叠加，量子比特可以存储比普通比特复杂得多的多维计算数据。

因此，量子计算机有望比经典计算机快数千倍，甚至数百万倍，执行计算的效率甚至远高于最强大的经典计算机。

不过，它们还有其他的神奇之处。

当叠加态扩展到多个系统或原子时，你就会得到一个「纠缠态」，即量子比特之间彼此相关联。当量子比特纠缠在一起时，它们的变化就会影响到彼此。这种量子效应有望应用到加密领域。

但同时，这种效应也给科学家制造可用的量子计算机带来了麻烦。

最重要的是，量子系统的概率性质意味着它们非常容易出错。因此，创造量子机器的一个主要挑战是使它们具有相干性，以减少信号中的噪声。SQC 团队认为他们破解的正是这个问题。

「要创造一台量子计算机，我们必须在原子尺度上工作，这样我们才能触及量子态，并让它们相干，且速度快。」SQC 创始人、论文通讯作者 Michelle Simmons 介绍说。

论文通讯作者 Michelle Simmons

Simmons 的团队在 2012 年打造了世界上第一个单原子晶体管，并在 2021 年制造了第一个原子规模的集成电路。「我们正在关注的是下一个设备——在我们制造出人们可以使用的量子计算机之前，我们还需要解决某种与商业相关的算法。刚开始的时候，我们不知道我们会在那个电路上展示什么。」

该团队选择了聚乙炔——一种碳基分子链，化学式为 (C2H2)n，其中 n 代表重复。

聚乙炔结构图

聚乙炔中的原子通过共价键结合在一起。单键意味着两个原子共用一个外层电子，双键表示共用两个电子。聚乙炔链中碳原子之间的单键和双键交替，使得该分子成为物理化学中一个有趣的研究对象。

Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型是一个著名的分子理论表示，它采用原子和它们的电子之间的相互作用来解释化合物的物理和化学性质。Simmons 说，「这是一个可以用经典计算机解决的众所周知的问题，因为其中只有很少的原子，一台经典计算机就可以处理所有的相互作用。但我们现在尝试用量子系统来解决它。」

聚乙炔的球棍模型显示了碳原子（深灰色）和氢原子（浅灰色）之间的单键和双键

那么 SQC 团队是如何在他们的量子设备上模拟聚乙炔的呢？

「我们让处理器本身模拟碳原子之间的单键和双键，」Simmons 解释说，「我们以亚纳米级的精度进行工程设计，试图在硅系统内模仿化学键。所以这就是它被称为量子类比模拟器（quantum analog simulator）的原因。」

利用机器中的原子晶体管，研究人员模拟了聚乙炔中的共价键。

根据 SSH 理论，聚乙炔中有两种不同的情况，称为「拓扑状态」——取名「拓扑」是因为它们的几何形状不同。

在一种状态下，你可以在单个碳碳键处切断链路，因此在链的末端有双键。或者，你可以切断双键，在链的末端留下单键，由于单键的距离较长，这种做法可以隔开两端的原子。当电流通过分子链时，这两种拓扑状态表现出完全不同的行为。

这就是其中的理论。Simmons 表示：「当我们制造设备时，我们看到的正是这种行为。所以这非常令人兴奋。」

墨尔本大学量子计算高级讲师 Charles Hill 博士对此表示赞同。

「量子技术最有前途的应用场景之一是使用一个量子系统来模拟其他量子系统，」Hill 说道，「在这项工作中，作者考虑了一个由十个量子点组成的链，并用它们来模拟所谓的 SSH 模型。这是一项了不起的工程。用于该演示的量子设备以亚纳米精度制造。这个实验为将来模拟更大、更复杂的量子系统铺平了道路。」

Simmons 认为，该复杂生产工艺的优势在于，你「不是在创造一种你必须发明并弄清楚如何制造的新材料」。

「我们确实拥有原子亚纳米级精度，」她补充道，「原子本身位于硅基体中，因此我们是在用已用于半导体行业的材料来构建系统。」

「整个设备中只有两种原子——磷和硅。我们摆脱了所有其他的东西、所有的接口、电介质，所有在其他架构中引起问题的东西。这在概念上很简单，但显然制作起来很有挑战性。这是一个漂亮、干净、物理的、可扩展的系统。」

「挑战在于如何将原子放在适当的位置，并且你知道它在那里。我们花费十年的时间才弄清楚让磷原子进入硅基体，并使其受到保护的化学过程。（其中一项）我们使用的技术是扫描隧道显微镜（STM），一种光刻工具。」

将硅板置于真空中后，该团队首先将基板加热至 1100°C，然后逐渐冷却至 350°C 左右，形成一个平坦的二维硅表面。然后硅被氢原子覆盖，可以使用 STM 尖端有选择地单独去除。在整个东西被另一层硅覆盖之前，磷原子被放置在氢原子层中新形成的间隙中。

以原子尺度建模的 SQC 量子器件

「这意味着我们每次只能制造一个设备，」 Simmons 坦言，「但我把它当做是一块瑞士手表——可以非常精确，需要手工制作。我的观点是，要制作一个可扩展的系统，你就需要这种精度。而精度不够，你就很难建立一个量子态，因为你不知道你有什么。所以我们的观点是：是的，它更慢，但你知道可以获得什么。」

一旦设备被制造出来，研究团队选择的算法将具有「历史意义」。

「模拟算法是理查德 · 费曼从 1950 年代开始的梦想，」Simmons 解释道。「如果你想了解大自然是如何运作的，你必须在那个长度尺度上构建它。在亚纳米级的精度上，我们能够模拟出碳分子的单键和双键吗？实际上，我们发现自己使用的是 25 个磷原子，而不是使用单个原子来模拟碳原子。」

该团队发现他们能够控制电子沿链路进行流动。

「所以，你拥有了个体和局部控制以及扩展控制能力，」Simmons 说。「我们已经证明了可以只用六个电极来实现 10 点链路。因此，电极比实际点数要少得多。这对于扩展非常有用。因为从根本上讲，在量子计算机中与有源元件相比，你总是希望构建较少的门，否则它的可扩展性会很差。」

新设备不仅符合 SSH 理论，而且 Simmons 相信量子计算机很快就会开始模拟超出目前最优理论的问题。「它为我们以前从未想象过的事物打开了一扇门，这既令人恐惧又令人兴奋，」她说。

该设备与其他量子计算机具有相似的缺点——特别是需要巨大的冷却系统将工作温度保持在接近绝对零度的水平，这需要耗费大量能源和成本。

出于商业机密，Simmons 对 SQC 在初步演示后正在处理的项目守口如瓶。但她仍表示：我们希望将其应用于尽可能多的不同事物，看看能发现什么。」

Nature 论文背后的 SQC 团队

「我们可以在整个链路上连贯地获得电子，这一事实告诉我们，这是一个非常量子相干的系统，」她说道，「这让我们相信其物理系统非常稳定。这是对系统纯度的证明，可以通向很多不同的路。制造更大的物理系统绝对是其中之一。观察自旋态而不是电荷态是另一回事。」

Simmons 将这个工作描述为「一段旅程」，其展示了跨学科的特性——量子物理学家、化学家、工程师和软件工程师都参与其中。「对于年轻人来说，这是一个令人兴奋的领域，」她说道。「这是一个基础科学研究项目演变成实用的工具的案例。」

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