研究人员通过可扩展量子点棋盘实现量子计算突破

解决量子点问题的新方法为量子系统中量子比特数量的扩展提供了前景，是量子计算领域的一项突破。研究人员开发出了一种方法，利用类似棋盘的方法，只需几条控制线就能寻址许多量子点。这使得有史以来最大的门控量子点系统得以运行。他们的成果是为实用量子技术开发可扩展量子系统迈出的重要一步。

承载 16 个量子点交叉阵列的量子芯片照片，与棋盘图案无缝集成。每个量子点就像棋盘上的棋子，都可以通过字母和数字坐标系进行唯一识别和控制。图片来源：Marieke de Lorijn for QuTech。图片来源：Marieke de Lorijn for QuTech

量子点可用于容纳量子计算机的基础构件--量子比特。目前，每个量子位都需要自己的寻址线和专用控制电子设备。这非常不切实际，与当今的计算机技术形成了鲜明对比，在当今的计算机技术中，数十亿个晶体管只需几千条寻址线即可运行。

代尔夫特理工大学（TU Delft）和应用科学研究组织（TNO）合作成立的 QuTech 公司的研究人员开发出了一种类似的量子点寻址方法。就像用字母（A 到 H）和数字（1 到 8）组合来寻址国际象棋棋子的位置一样，量子点也可以用水平线和垂直线组合来寻址。棋盘上的任何一点都可以通过字母和数字的特定组合来定义和寻址。他们的方法将最先进的技术提升到了一个新水平，实现了 16 量子点系统在 4×4 阵列中的运行。

第一作者弗朗切斯科-博尔索伊解释说：'这种解决量子点问题的新方法有利于扩展到多个量子位。如果使用一根线控制和读出单个量子位，那么数百万个量子位就需要数百万根控制线。这种方法不能很好地扩展。但是，如果使用我们的棋盘式系统来控制量子位，那么数百万量子位只需'使用'数千条控制线即可寻址，其比例与计算机芯片非常相似。线路的减少为量子比特数量的扩展提供了前景，是量子计算机的一个突破，量子计算机最终将需要数百万量子比特。'

提高数量和质量

量子计算机不仅需要数百万量子比特，量子比特的质量也极为重要。最后一位作者兼首席研究员门诺-维尔德霍斯特（Menno Veldhorst）说：'就在最近，我们已经证明，这些类型的量子比特可以以 99.992% 的保真度运行。这是所有量子点系统中最高的，意味着每万次操作的平均误差不到 1 次。通过开发复杂的控制方法和使用锗作为宿主材料，这些进步成为可能，因为锗具有许多有利于量子运行的特性'。

量子模拟的早期应用

由于量子计算正处于早期发展阶段，因此我们有必要考虑如何以最快的速度实现实用的量子优势。换句话说：量子计算机何时才能比传统超级计算机'更好'？一个明显的优势是可以模拟量子物理，因为量子点的相互作用是基于量子力学原理的。事实证明，量子点系统可以非常有效地进行量子模拟。

Veldhorst说：'在最近发表的另一篇文章中，我们展示了锗量子点阵列可用于量子模拟。这项工作是首次使用标准半导体制造材料进行的相干量子模拟。我们能够对共振价键进行初级模拟。虽然这项实验仅基于一个小型装置，但在大型系统上执行此类模拟可能会解决物理学中的长期问题。'

未来工作

Veldhorst 总结道：'令人兴奋的是，我们在向更大系统扩展、提高性能以及获得量子计算和模拟机会方面迈出了几步。一个悬而未决的问题是，我们能将这些棋盘式电路做多大，如果存在限制，我们是否能利用量子链路将许多棋盘式电路互连起来，从而构建更大的电路。'