拥有300个量子比特的量子计算机瞬间所能执行的计算次数比可见宇宙

据悉，科学家们已研发出他们所说的硅量子微芯片的第一个完整的设计方案。这预示着有可能完全使用传统硅技术来生产量子计算机。

传统计算机开启或关闭晶体管，从而将数据表示为1和0。相比之下，量子计算机使用量子比特（qubit）；由于量子力学的性质，量子比特可能处于叠加状态，而在这个状态下，量子比特可以同时是1和0。

叠加让量子比特一次执行两次计算。如果2个量子比特是量子力学联系在一起的，即纠缠（entangled），它们可以同时执行22即4次计算。3个量子比特可同时执行23即8次计算，依次类推。原则上，拥有300个量子比特的量子计算机瞬间所能执行的计算次数比可见宇宙中的原子总数还多。

全球各地的研究团队在探究各种不同的方法来制造切实有用的量子计算机。目前至少有五种量子计算方法在探索当中：硅自旋量子比特、离子阱、超导环、钻石空位和拓扑量子比特。

所有量子计算策略共同面临的一个挑战是，量子比特很容易受到热及其他噪声的干扰。为了克服这个弱点，量子计算机需要使用纠错码来保护它们免受干扰。比如说，来自单个“逻辑”量子比特的信息可以扩散到几个高度纠缠的“物理”量子比特，以减小任何环境干扰会篡改相关信息的可能性。

需要使用量子纠错码表明，量子计算机可能需要多达数百万个量子比特才能解决复杂问题，确保切实有用。而事实证明，让现有的量子计算策略支持数量如此庞大的量子比特是个艰巨的挑战。

现在，澳大利亚的一批科学家已研发出了一种设计，他们表示可以将数百万个硅自旋量子比特集成到微芯片上。悉尼新南威尔士大学澳大利亚国家制造中心主任安德鲁•祖拉克（Andrew Dzurak）表示，此外，“所有部件都可以由传统的硅片制造工厂使用标准的CMOS材料来制造。”祖拉克是今天发表在知名杂志《自然》网络版上的这篇论文的高级作者，论文详细介绍了这个科研小组的研究工作。

祖拉克表示，这个芯片设计方案的一个重要进展是传统电子部件的架构，这些电子部件可以操纵和读出来自数百万个量子比特的数据。他补充道，其他量子计算设计大多数只专注于量子比特层面的架构，忽略了传统的电子部件，或者将控制电子元件做到单独的芯片上。 祖拉克说：“这是第一种将所有东西统统集成到一块芯片上的设计。”

祖拉克表示，这个设计方案的另一个关键部分就是专门为硅自旋量子比特设计的一种新的纠错码。他说：“基本上，它让100万个量子比特可以做在一块尺寸与传统微处理器相同的芯片上。”

祖拉克表示，要实现这个设计方案，需要迈出的头一步就是设计出用来选择量子比特的晶体管。他补充道，另一步就是设计精确的元件布局和特征尺寸，最大限度地减少部件之间的相互干扰。祖拉克说：“所有阶段都需要为整个架构的每一个部分（从量子比特栅电极到连接线）设计和开发特定的制造工艺。”

研究人员目前有6370万美元的资金，用于在2022年之前开发出10个量子比特的硅量子集成电路原型。新南威尔士大学、澳大利亚电信公司Telstra、澳大利亚联邦银行和澳大利亚及新南威尔士州政府达成了一项协议，而这笔资金是其中的一部分。今年8月，这些合作伙伴共同设立了澳大利亚第一家量子计算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，以促进开发和商用该研究团队研发的技术。

祖拉克说：“我们不会一开始就力求做出100万个量子比特的芯片。我们会从比较适中的目标开始入手，比如说10个量子比特的设备，然后提高到100个量子比特，再逐渐提高到100万个量子比特，就像适用于传统微处理器的摩尔定律那样。”