（文章來(lái)源：量子認(rèn)知）

量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子邏輯進(jìn)行通用計(jì)算的設(shè)備。不同于電子計(jì)算機(jī)或傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的對(duì)象是量子比特，它使用量子算法來(lái)進(jìn)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(wèn)題上，量子計(jì)算機(jī)都有望勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

然而，設(shè)計(jì)一種可以在實(shí)際環(huán)境中制造和運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)設(shè)備是一項(xiàng)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前，世界各地正在開發(fā)的大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)只能在絕對(duì)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(shè)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(huì)立即過(guò)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(tuán)隊(duì)為解決這一重大難題向前邁進(jìn)了一大步。他們不需要將量子計(jì)算機(jī)處于絕對(duì)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)不同，通過(guò)一種稱為熱量子位的概念驗(yàn)證的量子處理器單元，打破了量子計(jì)算機(jī)實(shí)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(guó)學(xué)者楊志煥（英文名：Henry Yang），系澳大利亞新南威爾士大學(xué)電氣工程與電信學(xué)院量子計(jì)算和通信技術(shù)中心研究人員。該量子計(jì)算機(jī)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)由楊志煥博士進(jìn)行，該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(shí)驗(yàn)物理學(xué)家”。

德祖拉克教授說(shuō)：“我們的研究新成果為從量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備到可實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)開辟了一條通路，可用于現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)和政府應(yīng)用。”研究人員在硅芯片上進(jìn)行概念驗(yàn)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(dǎo)量子位技術(shù)開發(fā)的主要競(jìng)爭(zhēng)基礎(chǔ)量子芯片技術(shù)高出15倍。

德祖拉克解釋說(shuō)：“這雖然仍很冷，但僅用幾千美元的制冷量就可以達(dá)到這個(gè)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(wàn)美元。”“盡管使用我們?nèi)粘５臏囟雀拍顚?duì)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(rèn)為，他們已經(jīng)克服了阻礙量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)的最艱巨的障礙之一。

量子位對(duì)是量子計(jì)算的基本單位。如經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬位一樣，每個(gè)量子位都表征兩個(gè)狀態(tài)（0或1）以創(chuàng)建二進(jìn)制代碼。但是，與經(jīng)典比特不同，量子位可以同時(shí)顯示兩種狀態(tài)，即所謂量子“疊加”。該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的單元包含兩個(gè)量子位，它們被限制在一對(duì)嵌入硅的量子點(diǎn)中成為熱量子位。這樣的研究結(jié)果可以使用現(xiàn)有的硅芯片工廠進(jìn)行生產(chǎn)，并且無(wú)需數(shù)百萬(wàn)美元的冷卻即可運(yùn)行。與傳統(tǒng)的硅芯片集成起來(lái)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(gè)糾纏在一起的電子自旋量子位波函數(shù)（藍(lán)色）嵌入到硅晶體振動(dòng)狀態(tài)場(chǎng)中，該振動(dòng)狀態(tài)稱為聲子（紅色），可以傳遞熱量。

熱量子位通過(guò)兩個(gè)量子位的單獨(dú)相干控制，它突顯了對(duì)未來(lái)量子系統(tǒng)和硅自旋量子位進(jìn)行低溫控制的潛力，非常類似于單個(gè)電子晶體管，可以集成在一個(gè)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(jiǎn)化了兩者之間的互連。該方法能夠利用其在高級(jí)封裝和互連技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)，為實(shí)現(xiàn)量子實(shí)用性提供一條可擴(kuò)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(shí)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(dāng)少有的。看來(lái)，熱量子位的研究確實(shí)“熱”，它代表了當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的研究“熱”點(diǎn)與方向。

能夠執(zhí)行設(shè)計(jì)例如新藥設(shè)計(jì)所需的復(fù)雜計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)，將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位對(duì)，通常被認(rèn)為至少還需要十年。對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位的需求對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了巨大挑戰(zhàn)。德祖拉克教授解釋說(shuō)：“添加到系統(tǒng)中的每個(gè)量子位對(duì)都會(huì)增加所產(chǎn)生的總熱量，并且增加的熱量會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。這就是為什么當(dāng)前的設(shè)計(jì)需要保持接近絕對(duì)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(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，是量子計(jì)算機(jī)邁向?qū)嵱没缆飞系睦锍瘫M(jìn)展。
（責(zé)任編輯：fqj）