UNSW量子科研天团又有新成绩啦，而且还登上了国际顶级学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

有意思的是，这一最新研究成果居然跟软糖豆有关。

不过，可不是我们下午犯困时，用来解乏提神的那种，而是一个软糖豆形状的半导体量子点器件。

那，这个“软糖豆”到底有多了不起？

来跟着UNSW科学家们的讲解，一起长知识吧。

让高密度集成量子芯片

「甘之如饴」

首先，咱们来了解一下量子研究领域的入门概念——量子比特。

量子比特是芯片中处理量子信息的基本单位，它们需要非常靠近才能彼此交换信息。

未来的量子计算机处理器芯片将集成数百万、甚至数十亿个量子比特，从而使量子计算机能以超乎想象的高效率，来解决人类面临的最大问题。

然而，数百万个独立的量子比特器件需要数百万根、甚至更多导线来连接，芯片内部的拥挤程度可想而知。

因此，如何在高密度集成的量子比特之间布线，一直是科学家和工程师面临的一个巨大挑战。

而现在，由卓越副教授Arne Laucht和卓越教授Andrew Dzurak领导的UNSW科研团队，在这个长期以来存在的问题方面，取得了重要进展。

一切的关键，就在于我们开篇提到的软糖豆结构。

“软糖豆”效果图

这个软糖豆结构是UNSW科研团队成功研制的一个高性能量子器件。

它可以制备在成对的量子比特之间长条形的区域上，仅由一根电极控制，为布线创造更多空间，同时也不会影响成对的量子比特之间的耦合。

这为解决量子芯片的高密度集成问题提供了新的可能。

这项研究的主管、卓越副教授Arne Laucht解释道，软糖豆形状的量子器件其实并不是量子计算领域的新概念。

在打造世界首台可高效运行量子计算机的多种途径中，它一直是公认的有潜力的一种解决方案。

Laucht副教授说，“它已经在不同的材料系统中展示过潜力，例如砷化镓，但之前从未在硅材料上被成功实现过。”

而此次，UNSW的科研团队在实验室中证明，软糖豆型量子器件在硅量子芯片中是可以高效工作的。

他们的这项研究为硅基量子计算芯片高密度集成铺平了道路。

「软糖豆」

是如何工作的？

上文提到，量子比特之间要靠得非常近才能运作。

这个“非常近” = 相隔仅几十纳米，这样它们中的电子自旋才能够相互作用。

（我们的一根头发约为100000纳米粗，这么解释，大家是不是能有更直观的体会啦~）

但在如此细微的距离之内，如何将它们隔开以创造更多布线空间呢？

这其中最大的难题就是，为了布线而将配对的量子比特之间的距离拉大时，它们的电子就会停止相互作用。

而“软糖豆”方案则兼顾了矛盾的两方面——既能让量子比特保持恰当距离，又可保持相互作用。

那“软糖豆”又是怎么做出来的呢？

我们的科学家们找到了一种方法，通过在两个配对量子比特之间捕获适当数量的电子来创建一条电子链。

这条电子链就像一根电话线，使得“软糖豆”两端的这对量子比特中的电子仍能彼此对话。

不过，只有两端的电子参与计算，“软糖豆”中的其他电子则起到确保它们之间的距离却又不失去相互沟通的作用。

这项研究论文的第一作者、UNSW的王泽恒博士说，在软糖豆型量子点中拉入电子的数量是成功实现这一方案的关键。

“如果你只在器件中拉入少数几个电子，它们会由于相互作用分离成数个小的电子团，而不是一个连续的电子链。”

“只有当更多电子，例如15或20个电子被充入时，软糖豆下的电子链才会变得连续和均匀，形成良好的自旋状态，将一端的量子比特状态耦合到另一端。”

「吃掉软糖豆」之后……

Laucht副教授强调，之后仍有很多工作要做。

UNSW科研团队这项研究的重点是证明基于硅材料的软糖豆型量子器件是可实现的。

而下一步，要聚焦于在软糖豆型量子器件两端制备配对的量子比特，并使它们彼此交流。

“能够实现这一科研成果真是太棒了”，他说道。

“它让我们更加相信，软糖豆型器件是能够应用于硅基量子计算机的。我们已经迫不及待去尝试让两端的配对量子比特高效工作了。”