低温下精准控制量子比特的芯片问世

量子计算机要真正实现大规模实用化，关键在于如何稳定、精准地控制海量量子比特。澳大利亚悉尼大学与新南威尔士大学的研究团队在这一方向取得重要突破。他们开发出一种低温下实现精准控制的芯片，有望将芯片上的量子比特数量从目前的几十个扩展到百万量级。相关成果近日发表在《自然》期刊上。

由悉尼大学戴维·赖利教授领导的科学家开发的低温量子控制平台。图片来源：悉尼大学

研究团队研制出一种可在毫开尔文温度条件下控制自旋量子比特的硅芯片。这一温度略高于绝对零度（-273.15℃），理论上是物质完全静止的极限。自旋量子比特将信息编码在单个电子的磁方向上，具有易于扩展的优势，并与当前广泛使用的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容。

自旋量子比特必须在1开尔文以下的极低温度才能稳定运行，保持其量子信息。此外，要实现大规模扩展，还需通过复杂集成电子系统来控制与读取这些量子比特。而这又带来一个重大难题：若控制电路距离过近，产生的热量和电噪声可能会干扰量子态的稳定性。

此次，研究团队首次证明，通过精密设计，这种干扰也可避免。实验显示，该芯片能实现对单比特和双比特操作的高保真控制，几乎无性能损失，且不会影响量子态的相干性。这意味着控制系统可与量子比特紧密集成，解决了长期困扰量子计算扩展的“干扰”和“发热”难题。相关测量还表明，系统功耗极低，总体控制功率仅约10微瓦，其中模拟部分每兆赫仅耗电20纳瓦，有望支持百万量级量子比特的扩展。

该实验印证了科学界长期以来的一个设想，即在一定的温度环境下，复杂的电子系统也可与量子比特集成，实现精确控制。实验结果表明，只要控制系统设计得当，即使量子比特与不到一毫米远的晶体管芯片共存，其量子态几乎不会受到干扰。

这项研究为在CMOS技术基础上，将自旋量子比特规模化至上百万个，从而构建实用量子计算机提供了可行方案。研究人员认为，该低温电子平台不仅可助力量子计算，还将在传感系统和未来数据中心等多个领域释放潜力。