“歪打正着”，实用化量子计算机的里程碑

原标题：“歪打正着”，实用化量子计算机的里程碑

追求实用化的量子计算机的过程中，面临的一大障碍是，执行量子算法所需的量子比特数。

迄今为止，除了几个顶级的科技公司有实力重金打造之外，多数都是学术机构研究制造，物理的量子比特数量都很少。

CEA-Leti是法国格勒诺布尔的电子和信息技术研究机构，是世界上从事微电子和纳米技术应用研究的最大组织之一。近年来，它与泛欧项目（pan-European collaboration）合作研究日常计算设备中使用的晶体管。

图1｜CEA-Leti制造量子计算机（来源：Leti）

之所以说是日常使用，是因为每个人的手机中都有数十亿这种晶体管，它们在大家的手机中充当量子比特的作用。

哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的研究人员，对法国Leti公司生产的巨型晶圆进行测量后发现，这些工业生产的设备，十分适合移动到二维空间的量子比特上，这对制造出一个大规模集成可用通用量子计算机来说意义非凡。

研究成果以“Single-electron operations in a foundry-fabricated array of quantum dots”为题，发表在《自然通讯》杂志上。

图2｜研究成果论文（来源：Nature Communications）

1 . 二维阵列中的量子点

此设备的主要特征是量子点的二维阵列，或者更准确地说，是量子点的二乘二晶格。

尼尔斯·玻尔研究所的量子设备中心人员Fabio Ansaloni表示，其团队已经证明，可以在每一个量子点中实现单电子控制。

他声称，此举对于量子比特的发展十分重要，因为制造量子比特的方法之一，就是利用单个电子的自旋。因此，成功在二维量子点阵列中控制单个电子意义重大。

图3｜(a)量子点器件 (b)二维阵列装置示意图（来源：哥本哈根大学）

事实上，利用电子自旋来制造量子比特的方式是有利的。因为其较为“安静”，所以使得自旋与噪音的环境的交互十分微妙，而这往往为获得高性能量子比特制造了条件。

将量子计算机处理器扩展到第二维度，是更有效地实施量子纠错例程的必要条件。量子纠错技术可以使未来的量子计算机在运算的过程中，对发生故障的单个量子比特，具有一定的容错能力。

2 工业规模生产的重要性

尼尔斯·玻尔研究所的量子设备中心，担任助理教授的Anasua Chatterjee补充说，团队最初的想法是制造一组自旋量子比特，然后在单个电子层面对其进行操控和移动。

从此层面来看，尼尔斯·玻尔研究所十分感谢法国Leti公司为其提供的样品，使研究人员们获得了意想不到的结果。

泛欧项目的开展，结合欧盟的慷慨资助，帮助团队从只有一个电子的量子点，到有两个电子的量子点，再到二维阵列，一步步向大目标靠近。

而目前二维阵列的实现，对于构造量子计算机来说是刚需的。

3 可以控制误差的二维阵列

控制设备中发生的误差是一个十分重要的环节，现如今的计算机会产生大量的错误，但会通过所谓的重复代码得到纠正。

在经典计算中，为确保计算结果正确，计算机将重复计算。当一个晶体管出现了错误时，可以通过简单多数来纠正。意思是说，如果在晶体管中执行的大多数计算指向1而不是0，则选择1作为结果。

这在量子计算机中是不可能的，因为无法精确复制一个量子比特，所以量子纠错以另一种方式呈现：利用足够多的物理量子比特，组合至二维阵列中，那么它们可以互相检查。

图4｜阵列中的各种单电子构型（来源：哥本哈根大学）

4 里程碑的下一步

尼尔斯·玻尔研究所的研究结果表明，现在可以控制单个电子，并在没有磁场的情况下进行实验。因此，研究人员的下一步是在存在磁场的情况下寻找自旋特征。

这对于在阵列中的单个量子比特之间，实现单个和两个量子比特门来说必不可少。理论表明，少量的单量子门和双量子门，就足矣实现通用的量子计算。