近日，澳大利亚与荷兰的两个团队宣布已经开发出了可以在1开尔文以上的温度下工作的硅自旋量子位器件，比Google，IBM等使用超导量子位的主要竞争芯片技术高15倍。
这是量子计算机走向商用的一个重要里程碑。
两个团队的成果在4月16日同一期《自然》杂志上“背对背”发表。
“对我来说，这些研究确实代表了硅自旋量子比特的一系列重大里程碑，”微软高级量子工程师、其中一篇论文的同行评审员John Gamble表示：“这是一项引人注目的工作。”
量子计算机“升温”
对大部分的固态（如超导或半导体电路）量子计算体系而言，极低温需求都是可扩展化、集成化的重要制约因素。
世界各地正在开发的大多数量子计算机，只能在绝对零度(-273.15℃)以上的几分之一度内（-273.05℃）工作，这就需要数百万美元的制冷设备——稀释制冷机为量子比特提供适宜的工作温度。
图片来源：本源量子
而一旦插入经典电子电路，它也会立即过热，从而影响量子计算的准确性。
现在，这个问题可能已经有了解决方案。
新南威尔士大学团队
来自澳大利亚新南威尔士大学的Andrew Dzurak和Henry Yang领导的团队实现了超过1开尔文温度下的单比特硅基量子处理器操作，实验中进一步提升了量子比特品质，在硅-28纯化硅单比特上实现了1.5开尔文温度下98.6%保真度。
“人们熟知的日常温度概念很难感受 0.1 到 1.5 开尔文的提升，但在量子世界中，这意味我们正在走出极端。1.5 开尔文仍然是一个很低的温度，但仅用几千美元的制冷设备就可以达到这个温度，而不需要花费数百万美元将温度降到 0.1 开尔文”，澳大利亚新南威尔士大学Dzurak 说
新南威尔士大学的Andrew Dzurak和Henry Yang领导的团队实现了超过1开尔文温度下的单比特硅基量子处理器操作
Dzurak教授解释该团队工作成果
视频来源：UNSW视频字幕：Li Jin
Dzurak 教授团队开发的处理器单元由两个量子位组成，它们被置于嵌入硅中的一对量子点中（ a pair of quantum dots）。研究结果显示，如果扩大处理单元规模，现有的硅芯片工厂就能完成。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2171-6
代尔夫特理工大学团队
另外，由代尔夫特理工大学的Menno Veldhorst领导的团队在高温量子比特上展示了通用逻辑门操作，实验在1.1开尔文操作温度下通过可调的交换相互作用实现了两个量子比特的相干翻转，并将单比特操作保真度提高到99.3%。
图片来源：Wouterslitsfotografie / QuTech
通过这项研究，该团队还展示了控制两个量子位系统的电子自旋的能力，此外还说明了自旋量子位的性能在45毫开尔文至1.25 开尔文的温度范围内受到的影响最小。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2170-7
硅基量子比特体系具备足够热稳定性
这一系列的研究工作证实了硅基量子比特体系有足够的热稳固性来满足超过1开尔文的环境下执行通用门操作。
这一特性对于可扩展量子计算体系有十分重要的意义，1开尔文温区可以依靠简单的氦-4泵浦制冷系统来实现，能够提供高于稀释制冷机数个量级的制冷功率，理论上可以完全解决量子芯片的热负载问题，同时大幅降低设备要求。
本源量子第二代硅基自旋二比特量子芯片 图片来源：本源量子
1开尔文温区硅基量子比特不仅使得量子比特数可以实现高度集成，同时也使得量子比特控制电路可以与量子比特集成在同一芯片上，减少电路热噪声影响，为实用化量子信息处理器实现提供了扩展方案。
中国科学技术大学教授，本源量子首席科学家郭国平团队作为国内目前唯一一支专注硅基自旋量子比特体系的研究团队，已深耕硅基自旋量子比特领域10余年。
他认为：“提高目前量子计算的工作温度，同时兼容现有半导体工艺，是实用化量子计算研发的大趋势。”
在2020年国际固态电路年度会议（ISSCC-2020）上，荷兰代尔夫特理工大学和法国CEA-LETI-MINATEC已经发布了用于量子计算的低温控制电路相关研究工作。在当前趋势下，硅基半导体体系已成为最有希望实现实用化量子计算机的物理体系。
Horse Ridge低温控制芯片 图片来源：Walden Kirsch/英特尔公司
在科技部、中科院、基金委等部门的大力支持下，特别是在“十二五”国家重点基础研究发展项目（973项目）“固态量子芯片研究”、“十三五”国家重点研发计划“半导体量子芯片”等项目支持下，郭国平教授团队，作为国内目前唯一一支专注硅基自旋量子比特体系的研究团队，从2005年开始，在半导体量子芯片的材料设计、量子比特逻辑单元的构造、量子调控电脉冲序列的设计、量子逻辑门的实现、多量子逻辑比特的扩展以及量子软件、量子算法等方面积累了大量关键核心技术，并实现了硅基材料生长及硅基量子点的制备与单电子自旋操控。
当前，我们需要充分利用产线技术优势，加速硅基量子比特的研发，推进量子比特低温控制电路及其集成化的研究，为制备高性能硅基量子芯片，实现实用化量子计算机奠定坚实的基础。
OriginQ量子测控总监说
这项突破至少有以下几点颠覆性突破：
第一，极低温下整个量子芯片及附加系统可允许的功耗天花板抬高了至少三个数量级；
第二，能够提供相应制冷机的供应商名单，最起码翻了十倍，并且国内就有，解除了垄断和禁运的风险；
第三，这将直接允许量子计算系统在宇航场合下的应用；
当然，这并不会降低量子计算机的研制成本，毕竟绝大多数的投入，依然要落在量子芯片的研制和控制上。
这也不会意味着量子计算机问世的提前，哪怕半天。
前路漫长，依然需要脚踏实地地攻关。
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