去年，谷歌生產了一個53量子比特的量子計算機，它可以比世界上最快的超級計算機更快地執(zhí)行特定的計算。像當今大多數(shù)最大的量子計算機一樣，該系統(tǒng)擁有數(shù)十個量子比特，即量子比特的量子對應物，可在常規(guī)計算機中對信息進行編碼。

為了制造更大，更有用的系統(tǒng)，當今的大多數(shù)原型都必須克服穩(wěn)定性和可擴展性的挑戰(zhàn)。后者將需要增加信號和布線的密度，而這在不降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下很難做到。我相信，RIKEN的超導量子電子研究團隊在過去三年中與其他機構合作開發(fā)了一種新的電路布線方案，這為在未來十年內擴展至100或更多量子位打開了大門。在這里，我討論如何。

挑戰(zhàn)一：可擴展性

量子計算機使用基于量子力學原理的復雜相互作用來處理信息。為了進一步解釋這一點，我們必須了解量子位。量子計算機是由各個量子位構建而成的，這些量子位類似于常規(guī)計算機中使用的二進制位。但是，一個量子位需要維持一個非常脆弱的量子狀態(tài)，而不是一個位的零或一個二進制狀態(tài)。量子位不僅可以是零或一，還可以處于一種稱為疊加的狀態(tài)，即它們同時處于零和一的狀態(tài)。這允許基于量子位的量子計算機針對每個可能的邏輯狀態(tài)(零或一個)并行處理數(shù)據(jù)，因此，與基于計算機的特定類型問題相比，它們可以執(zhí)行更高效，更快的計算。

但是，與傳統(tǒng)位相比，創(chuàng)建量子位要困難得多，并且需要對電路的量子力學行為進行完全控制。科學家們提出了一些可靠的方法。在RIKEN，使用一種具有稱為約瑟夫森結的元素的超導電路來創(chuàng)建有用的量子力學效應。通過這種方式，現(xiàn)在可以使用半導體工業(yè)中常用的納米加工技術可靠且重復地生產量子位。

可伸縮性的挑戰(zhàn)來自于這樣一個事實，即每個量子位都需要進行布線和連接，以產生具有最小串擾的控件和讀數(shù)。當我們經過微小的二乘二乘或四乘四乘的量子位陣列時，我們已經意識到可以包裝相關布線的密度，并且我們不得不創(chuàng)建更好的系統(tǒng)和制造方法來避免布線字面上越過。

在RIKEN，我們使用自己的接線方案構建了一個四乘四的qubit陣列，其中到每個qubit的連接是從芯片背面垂直進行的，而不是其他組使用的單獨的“倒裝芯片”接口將布線焊盤帶到量子芯片的邊緣。這涉及到一些復雜的制造過程，需要通過硅芯片密集排列的超導通孔(電連接)陣列，但它應該允許我們擴展到更大的器件。我們的團隊正在努力開發(fā)一種64量子位的設備，我們希望在未來三年內能夠實現(xiàn)。接下來的五年中，將有一個100量子位的設備作為國家資助的研究計劃的一部分。該平臺最終應允許在單個芯片上集成多達1,000 qubit。

挑戰(zhàn)二：穩(wěn)定性

量子計算機的另一個主要挑戰(zhàn)是如何應對量子位固有的脆弱性，以應對溫度等外界力引起的波動或噪聲。為了使量子位起作用，需要將其保持在量子疊加或“量子相干”狀態(tài)。在超導量子位的早期，我們可以使這種狀態(tài)持續(xù)僅十億分之一秒。現(xiàn)在，通過將量子計算機冷卻至低溫并創(chuàng)建其他幾種環(huán)境控制措施，我們可以將一致性保持長達100微秒。平均幾百微秒將使我們能夠在丟失一致性之前執(zhí)行數(shù)千次信息處理操作。

從理論上講，解決不穩(wěn)定問題的一種方法是使用量子錯誤校正，即利用幾個物理量子位對單個“邏輯量子位”進行編碼，然后應用一種可以診斷和修復錯誤的糾錯協(xié)議來保護邏輯量子位。但是，由于許多原因，實現(xiàn)這一目標仍遙遙無期，其中最重要的就是可伸縮性問題。

量子電路

自1990年代以來，量子計算才成為大事。當我開始時，我對我的團隊是否可以在電路內創(chuàng)建和測量量子疊加態(tài)感興趣。那時，整個電路是否可以機械地表現(xiàn)量子還不是很清楚。為了在電路中實現(xiàn)穩(wěn)定的量子比特并在電路中創(chuàng)建導通和關斷狀態(tài)，電路還需要能夠支持疊加狀態(tài)。

我們最終想到了使用超導電路的想法。超導狀態(tài)沒有任何電阻和損耗，因此可以簡化以響應較小的量子力學效應。為了測試該電路，我們使用了一個由鋁制成的微型超導島，該島通過一個約瑟夫森結(一個被納米厚度的絕緣勢壘隔開的結)連接到了一個較大的超導接地電極上，并且捕獲了穿過該結的隧穿的超導電子對。交界處。由于鋁島的小巧，由于帶負電的一對之間被稱為庫侖阻塞的效應，它最多可以容納一對多余的鋁。島中零個或一對多余對的狀態(tài)可以用作qubit的狀態(tài)。量子力學隧穿維持量子位

混合動力系統(tǒng)

由于其非常微妙的性質，量子計算機不太可能在不久的將來進入家庭。但是，認識到面向研究的量子計算機的巨大好處，谷歌和IBM等工業(yè)巨頭以及世界各地的許多初創(chuàng)公司和學術機構都在加大對研究的投資。

具有完全錯誤校正功能的商業(yè)量子計算平臺可能仍需要十多年的時間，但是最新的技術發(fā)展已經帶來了新的科學和應用的可能性。較小規(guī)模的量子電路已經在實驗室中執(zhí)行了有用的任務。

例如，我們將我們的超導量子電路平臺與其他量子力學系統(tǒng)結合使用。這種混合量子系統(tǒng)使我們能夠以前所未有的靈敏性來測量集體激發(fā)中的單個量子反應(無論是在磁體中的電子自旋，在基板中的晶格振動還是在電路中的電磁場的進動)。這些測量應增進我們對量子物理學以及量子計算的理解。我們的系統(tǒng)也足夠敏感，可以測量單個光子在微波頻率下，其能量比可見光光子低約五個數(shù)量級，而不會吸收或破壞它。希望這將成為連接遠距離量子位模塊等的量子網(wǎng)絡的基礎。

量子互聯(lián)網(wǎng)

將超導量子計算機連接到光量子通信網(wǎng)絡是我們混合系統(tǒng)的另一個未來挑戰(zhàn)。這將在未來的發(fā)展中發(fā)展，其中包括通過光纜連接的量子互聯(lián)網(wǎng)，讓人聯(lián)想到當今的互聯(lián)網(wǎng)。但是，即使是電信波長的紅外光的單個光子也不能在不干擾量子信息的情況下直接撞擊超導量子位，因此必須進行仔細的設計。我們目前正在研究混合量子系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過其他量子系統(tǒng)將超導量子位的量子信號轉換為紅外光子，反之亦然，例如，涉及一個微小的聲振蕩器的量子系統(tǒng)。

盡管有許多復雜的問題需要解決，但科學家可以看到，量子計算機的出現(xiàn)將使未來變得更加廣闊。實際上，量子科學已經每天都在我們手中。如果不完全了解半導體中電子的性質，就永遠不會發(fā)明晶體管和激光二極管，而這完全是基于對量子力學的了解。因此，通過智能手機和互聯(lián)網(wǎng)，我們已經完全依賴于量子力學，并且將來我們只會變得更加如此。