说明如何使用新的“内在自旋轨道EDSR”过程控制多个量子比特。图片来源:Tony Melov。

新南威尔士大学悉尼分校的工程师们发现了一种精确控制量子点中单个电子的新方法，这些量子点运行逻辑门。这种新机制也不那么笨重，需要的零件也更少，这可能是实现大规模硅量子计算机的关键。

量子计算初创公司Diraq和新南威尔士大学的工程师们的这一偶然发现，发表在《自然纳米技术》杂志上。

“这是一种我们从未见过的全新效应，一开始我们也不太明白，”首席作者威尔·吉尔伯特博士说，他是新南威尔士大学肯辛顿校区附属公司Diraq的量子处理器工程师。“但很快我们就发现，这是一种控制量子点自旋的强大新方法。这非常令人兴奋。”

逻辑门是所有计算的基本构件。它们允许“位”——或者二进制数字(0和1)——一起工作来处理信息。然而，一个量子比特(或量子位)同时存在于这两种状态中——这种情况被称为“叠加”。这允许大量的计算策略——一些指数级的快，一些同时操作——超出了经典计算机。量子比特本身由“量子点”组成，量子点是一种微小的纳米器件，可以捕获一个或几个电子。对电子的精确控制是进行计算所必需的。

使用电场而不是磁场

新南威尔士大学工程系的Tuomo Tanttu博士在对控制量子点的十亿分之一米大小的设备进行不同几何组合的实验时，偶然发现了一个奇怪的效应。

Tanttu博士也是Diraq的测量工程师，他说:“我试图真正准确地操作一个双量子比特门，迭代使用许多不同的设备、略有不同的几何形状、不同的材料堆栈和不同的控制技术。”“然后这个奇怪的山峰出现了。看起来其中一个量子比特的旋转速度正在加快，这是我在四年的实验中从未见过的。”

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工程师们后来意识到，他所发现的是一种利用电场而不是以前使用的磁场来操纵单个量子比特量子态的新方法。自2020年发现量子比特以来，工程师们一直在完善这项技术，这已成为他们实现狄拉克在单个芯片上构建数十亿量子比特雄心的又一工具。

吉尔伯特博士说:“这是一种操作量子比特的新方法，而且建造起来不那么笨重——你不需要在量子比特旁边制造钴微磁铁或天线来产生控制效果。”“它消除了在每个门周围放置额外结构的要求。这样就不会那么杂乱了。”

在不干扰附近其他电子的情况下控制单个电子对硅中的量子信息处理至关重要。目前已有两种方法:使用片上微波天线的电子自旋共振(ESR)和依赖诱导梯度磁场的电偶极子自旋共振(EDSR)。这项新发现的技术被称为“本征自旋轨道EDSR”。

“通常情况下，我们设计的微波天线提供纯磁场，”Tanttu博士说。“但这种特殊的天线设计产生的电场比我们想要的要多，但事实证明这是幸运的，因为我们发现了一种可以用来操纵量子比特的新效应。这是你的意外发现。”

在硅量子计算成为现实的基础上

新南威尔士大学量子工程科学教授、Diraq首席执行官和创始人Andrew Dzurak教授说:“这是一种新机制的瑰宝，它只是为我们在过去20年的研究中开发的专有技术宝库增添了一部分。”Dzurak教授领导的团队于2015年在硅中构建了第一个量子逻辑门。

“它建立在我们使硅量子计算成为现实的工作基础上，基于本质上与现有计算机芯片相同的半导体组件技术，而不是依赖于奇异的材料。

研究团队:Andrew Dzurak教授，Will Gilbert博士和Tuomo Tanttu博士。图片:格兰特·特纳。

“由于它基于与当今计算机行业相同的CMOS技术，我们的方法将使其更容易、更快地扩大商业生产规模，并实现我们在单个芯片上制造数十亿量子比特的目标。”

CMOS(或互补金属氧化物半导体，发音为“see-moss”)是现代计算机的核心制造工艺。它被用于制造各种集成电路组件，包括微处理器、微控制器、存储芯片和其他数字逻辑电路，以及图像传感器和数据转换器等模拟电路。

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构建量子计算机被称为“21世纪的太空竞赛”，这是一项艰巨而雄心勃勃的挑战，有可能为解决其他不可能的计算提供革命性的工具，比如复杂药物和先进材料的设计，或者快速搜索大量无序的数据库。

“我们经常认为登陆月球是人类最伟大的技术奇迹，”祖拉克教授说。“但事实是，今天的CMOS芯片——将数十亿个操作设备集成在一起，像交响乐一样工作，而且你可以随身携带——这是一项惊人的技术成就，它彻底改变了现代生活。量子计算同样令人震惊。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。