（文章來源：量子認知）

量子計算機是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同于電子計算機或傳統(tǒng)計算機，量子計算用來存儲數(shù)據(jù)的對象是量子比特，它使用量子算法來進行數(shù)據(jù)操作。從精密的藥物制造到搜索算法，在許多重要問題上，量子計算機都有望勝過傳統(tǒng)計算機。

然而，設計一種可以在實際環(huán)境中制造和運行的量子計算機設備是一項重大的技術挑戰(zhàn)。目前，世界各地正在開發(fā)的大多數(shù)量子計算機只能在絕對零度附近的超低溫條件下才能工作，這需要極其龐大的制冷設備與非常昂貴的制冷成本，如果一旦將它們接入傳統(tǒng)的電子電路，它們就會立即過熱而喪失其作用。

但是現(xiàn)在，由澳大利亞、加拿大、芬蘭和日本的科研團隊為解決這一重大難題向前邁進了一大步。他們不需要將量子計算機處于絕對零度附近的超低溫條件下才能工作。與全球正在探索的大多數(shù)量子計算機設計不同，通過一種稱為熱量子位的概念驗證的量子處理器單元，打破了量子計算機實用化道路上所存在的最大障礙之一，他們的研究成果發(fā)表在今天的《自然》雜志上。

論文第一作者為中國學者楊志煥（英文名：Henry Yang），系澳大利亞新南威爾士大學電氣工程與電信學院量子計算和通信技術中心研究人員。該量子計算機原理驗證實驗由楊志煥博士進行，該研究團隊負責人、論文作者之一、安德魯·德祖拉克（Andrew Dzurak）教授稱楊志煥為“出色的實驗物理學家”。

德祖拉克教授說：“我們的研究新成果為從量子計算實驗設備到可實用的量子計算機開辟了一條通路，可用于現(xiàn)實世界的商業(yè)和政府應用。”研究人員在硅芯片上進行概念驗證的量子處理器單元，工作溫度為1.5開爾文（Kelvin）溫度，比谷歌，IBM等公司使用超導量子位技術開發(fā)的主要競爭基礎量子芯片技術高出15倍。

德祖拉克解釋說：“這雖然仍很冷，但僅用幾千美元的制冷量就可以達到這個溫度，而不是將芯片冷卻到0.1開爾文低溫所需的數(shù)百萬美元。”“盡管使用我們日常的溫度概念對此難理解，但這種溫度的增加在量子世界中是極其重要的。”研究人員認為，他們已經克服了阻礙量子計算機成為現(xiàn)實的最艱巨的障礙之一。

量子位對是量子計算的基本單位。如經典計算機模擬位一樣，每個量子位都表征兩個狀態(tài)（0或1）以創(chuàng)建二進制代碼。但是，與經典比特不同，量子位可以同時顯示兩種狀態(tài)，即所謂量子“疊加”。該研究團隊開發(fā)的單元包含兩個量子位，它們被限制在一對嵌入硅的量子點中成為熱量子位。這樣的研究結果可以使用現(xiàn)有的硅芯片工廠進行生產，并且無需數(shù)百萬美元的冷卻即可運行。與傳統(tǒng)的硅芯片集成起來也將更加容易。

熱量子位，或稱熱量子比特，英文：Hot Qubits，其概念比如下圖所示，兩個糾纏在一起的電子自旋量子位波函數(shù)（藍色）嵌入到硅晶體振動狀態(tài)場中，該振動狀態(tài)稱為聲子（紅色），可以傳遞熱量。

熱量子位通過兩個量子位的單獨相干控制，它突顯了對未來量子系統(tǒng)和硅自旋量子位進行低溫控制的潛力，非常類似于單個電子晶體管，可以集成在一個集成封裝中。將控制電子器件和自旋量子位集成在同一芯片上，極大地簡化了兩者之間的互連。該方法能夠利用其在高級封裝和互連技術方面的專業(yè)知識，為實現(xiàn)量子實用性提供一條可擴展的途徑。也就在同一期出版的《自然》雜志中還有另一篇論文專門論述熱量子位最新研究成果。

《自然》雜志在同一天的刊物上同時刊登同一科研課題的兩大研究成果，這在《自然》雜志歷史上是相當少有的。看來，熱量子位的研究確實“熱”，它代表了當前量子計算機的研究“熱”點與方向。

能夠執(zhí)行設計例如新藥設計所需的復雜計算的量子計算機，將需要數(shù)百萬個量子位對，通常被認為至少還需要十年。對數(shù)百萬個量子位的需求對設計人員提出了巨大挑戰(zhàn)。德祖拉克教授解釋說：“添加到系統(tǒng)中的每個量子位對都會增加所產生的總熱量，并且增加的熱量會導致錯誤。這就是為什么當前的設計需要保持接近絕對零度的主要原因。”

這一研究成果將有可能使用常規(guī)的硅芯片代工廠創(chuàng)建更溫暖、更便宜和更強大的量子計算機，是量子計算機邁向實用化道路上的里程碑進展。
（責任編輯：fqj）