新型二维量子点阵列：朝着通用量子计算机迈出重要一步！

IBM四个超导量子位设备的布局图　　一个可见光光子与一个近红外光光子组成的量子纠缠的光子对。

　　量子力学揭示了经典物理学所无法解释的奇妙现象，其中最著名的就是“叠加”和“纠缠”。叠加，是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”思想实验曾经形象表述为“一只猫可以同时既是活的又是死的”。
　　纠缠，是指当两个或者两个以上的微观粒子（例如光子）组成的系统中，粒子之间相互影响的现象。不论两个粒子分离多远，对其中一个粒子的量子态做任何改变，另一个会立刻感受到并做相应改变。
　　凭借“叠加”和“纠缠”这两个“幽灵般”的量子物理学原理，量子计算机展现出巨大的并行计算能力，远远超越现有的经典计算机。理论上说，对于世界上最强大的经典计算机需要经过漫长时间才能解决的复杂计算问题来说，量子计算机却可以在很短的时间内轻松解决。
　　那么，为什么量子计算机可以达到如此强大的计算能力？简单说，它拥有“量子位”。经典计算机存储信息采用的是比特位（0或1），而量子计算机表示信息所用的是量子位。
　　量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等），可同时处于“既是0又是1”的叠加态。经典计算机中的两个比特位，在某一时刻，仅能存储4个二进制数：00、01、10、11中的一个。然而，量子计算机中的两个量子位却可以同时存储这四个数，因为每一个量子位可以同时表示两个值。也就是说，如果我们要读出这四个数时，只需要读取一次；经典计算机则需要顺序执行4次。当量子位继续增加时，系统所存储信息量就会呈指数方式增加。
　　虽然现在不少的量子计算机都号称拥有强大的计算能力，但是这些量子计算机往往局限于大学或者科研机构的实验室环境，只能运行一些特定算法，无法实现像经典计算机那样实现“运行任意算法”的效果，也就是说，量子计算机目前在运算速度方面的优势还未真正地转化为生产力。
　　目前，制造真正的通用量子计算机还需克服种种难题，比如实现更多的量子位、克服温度和环境因素影响、具备量子纠错能力、实现量子位小型化和低成本化、用现有的芯片工艺和原材料来制造等。
　　近年来，法国微电子领导者CEA-Leti参与的一项泛欧洲的合作，一直在研究如何将日常的晶体管（手机中总共有数十亿个这样的器件）作为量子位使用。法国公司Leti制作了充满晶体管的巨型晶圆。在测量之后，丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所发现这些通过工业方法制造的器件适合作为一个量子位平台（可以拓展到第二个维度），从而朝着实用的量子计算机迈出了重要一步。这一研究成果发表在《自然·通信》（Nature Communications）期刊上。
　　这些器件的关键特征之一就是量子点二维阵列，或者更确切的说，2乘2的量子点晶格。尼尔斯·玻尔研究所量子器件中心的博士后研究员Fabio Ansaloni表示：“我们所展示的是，能在每一个单独的量子点中实现单电子控制。这对于量子位开发来说非常重要，因为可能的方案之一就是利用单电子的自旋来制造量子位。所以，通过控制单电子达到这个目标，并且在二维量子点阵列中实现，对于我们来说非常重要。”
　　电子自旋已经被证明有利于实现量子位。实际上，它们“安静”的特性使得自旋与吵杂环境之间的交互很微弱，这对于获取高性能的量子位来说是一个关键的需求。
　　将量子计算机处理器拓展到第二个维度，对于更加高效地实现量子纠错系统来说是极其重要的。通过量子纠错实现的量子计算机，将对计算期间单个量子位的失效进行容错处理。
　　尼尔斯·玻尔研究所量子器件中心助理教授Anasua Chatterjee补充道：“起初的想法是打造一个自旋量子位阵列，着手研究单电子，控制并移动它们。从这个意义上说，Leti能够为我们交付样本，从而使我们可以达到这个结果，真的很棒。很多功劳都归功于这个泛欧洲的合作项目，以及来自欧盟的慷慨资助，帮助我们从单个量子点拥有单个电子的水平，慢慢发展成拥有两个电子，现在已经发展成二维阵列。二维阵列是一个了不起的成果，因为它开始看上去像是你打造量子计算机所不可或缺的东西。所以，Leti这些年参与了一系列的项目，这些项目都对这个成果作出了贡献。”
　　这个开发是渐进的。2015年，格勒诺布尔的研究人员成功地制造出首个自旋量子位，但这个量子位是基于空穴，并不是电子。那时，通过空穴机制打造的器件性能并不是最佳的。后来技术取得了进步，所以尼尔斯·玻尔研究所的器件可以在拥有处于单电子机制下的二维阵列。这个进展分为三个部分，研究人员解释道：“首先，在专门制造芯片的工业厂家中生产这些器件是必要的。当我们开始制造更大的阵列时，例如小型量子模拟器，现代化的工业工艺的可扩展性也是必不可少的。其次，当制造量子计算机时，你需要一个二维阵列，也需要一种将外部世界与每个量子位连接起来的方法。如果你为每个量子位设置4~5个连接，那么你很快就会遇到从低温装置出来的‘数量巨大到不切实际’的线。但我们要展示的是，我们为每个电子设置了一个门，你可以采用同样的门来读出和控制。最后一点，我们可以使用这些工具，以一种受控的方式沿着阵列移动和交换单个电子，这本身就是一个挑战。”
　　控制器件中发生的错误，本身就是重要的一步。如今使用的计算机会产生大量的错误，但是会通过所谓的重复代码进行纠正。在常规计算机中，你可以使用的信息是0或1。为确保计算结果正确，计算机将重复计算，如果一个晶体管出错，则可以通过简单多数来纠正。如果在其他晶体管中执行的大多数计算都指向1而不是0，则将1将被选为结果。在量子计算机中不可能这么做，因为无法精确地复制量子位，因此量子纠错以另一种方式起作用：目前即使是最先进的物理量子位，也没有较低的错误率，但是如果足够多的量子位在二维阵列中结合起来，那么它们就可以相互检查。这是现在实现的二维阵列的另一个优点。
　　尼尔斯·波尔研究所的结果表明，现在控制单个电子是可能的，并可以在没有磁场的情况下进行实验。因此，下一步将是在存在磁场的情况下寻找自旋（自旋签名）。这对于在阵列中单个量子位之间，实现单个和两个量子位门至关重要。理论表明，少数的单个和两个量子位门（称为量子门完整集）足以实现通用的量子计算。 （逸文）