作者:RIKEN 这张集成超导量子位及其封装的示意图将量子位显示为带有环的绿点，这些环被放置在一个硅芯片的顶部(红色)
穿过芯片的多个孔电连接顶面和底面
顶部的蓝线是读取量子位的电路元件
同轴线路(带有镀金的弹簧针)连接到芯片的背面，这些线路控制和读取量子位
信用:Yutaka Tabuchi 去年，谷歌生产了一台53个量子比特的量子计算机，它可以比世界上最快的超级计算机更快地执行特定的计算
像今天大多数最大的量子计算机一样，这个系统拥有数十个量子比特——量子比特的对等物，在传统计算机中编码信息
为了制造更大更有用的系统，今天的大多数原型必须克服稳定性和可扩展性的挑战
后者将需要增加信号和布线的密度，这在不降低系统稳定性的情况下很难做到
我相信，在过去三年里，由RIKEN的超导量子电子研究小组与其他研究所合作开发的一种新的电路布线方案，打开了在未来十年内扩大到100个或更多量子位的大门
在这里，我讨论如何
挑战一:可扩展性 量子计算机基于量子力学原理，利用微妙而复杂的相互作用来处理信息
为了进一步解释这一点，我们必须理解量子位
量子计算机是由单个量子位构成的，类似于传统计算机中使用的二进制位
但是量子位需要保持一个非常脆弱的量子状态，而不是一个比特的零或一个二进制状态
量子位不仅仅是零或一，还可以处于一种叫做叠加的状态——它们同时处于零和一的状态
这使得基于量子位的量子计算机可以对每个可能的逻辑状态(0或1)并行处理数据，因此它们可以比传统的基于位的计算机对特定类型的问题进行更高效、更快速的计算
然而，创建一个量子位比创建一个传统的位要困难得多，而且需要对电路的量子力学行为进行完全控制
科学家们想出了一些可靠的方法来做到这一点
在RIKEN，一个带有约瑟夫森结的超导电路被用来创造一种有用的量子力学效应
通过这种方式，量子位现在可以用半导体工业中常用的纳米制造技术可靠地重复生产
可伸缩性的挑战源于这样一个事实，即每个量子位都需要布线和连接，以最小的串扰产生控制和读数
当我们经过微小的2×2或4×4的量子位阵列时，我们已经意识到相关的线路可以有多密集，我们必须创造更好的系统和制造方法来避免我们的线路交叉
在RIKEN，我们使用自己的布线方案构建了一个四乘四的量子位阵列，其中每个量子位的连接都是从芯片背面垂直进行的，而不是由其他团队使用的单独的“倒装芯片”接口，将布线焊盘带到量子芯片的边缘
这涉及到一些复杂的制造过程，通过一个硅芯片密集排列超导通孔(电连接)，但它应该允许我们扩大到更大的设备
我们的团队正在开发一种64量子位的设备，我们希望在未来三年内拥有它
作为国家资助的研究项目的一部分，接下来的五年内将会有一个100比特的装置问世
这个平台最终应该允许在单个芯片上集成多达1000个量子位
挑战二:稳定性 量子计算机面临的另一个主要挑战是如何处理量子位对温度等外力波动或噪声的内在脆弱性
要让一个量子位发挥作用，它需要保持量子叠加的状态，或者“量子相干”
“在超导量子位的早期，我们可以让这种状态持续几纳秒
现在，通过将量子计算机冷却到低温，并创造其他几种环境控制，我们可以保持相干长达100微秒
平均来说，在失去连贯性之前，几百微秒可以让我们执行几千个信息处理操作
理论上，我们处理不稳定性的一种方法是使用量子纠错，利用几个物理量子位来编码一个“逻辑量子位”，并应用纠错协议来诊断和修复错误，以保护逻辑量子位
但是认识到这一点还有很长的路要走，原因很多，其中最重要的是可伸缩性的问题
量子电路 自20世纪90年代以来，在量子计算成为一件大事之前
当我开始的时候，我对我的团队能否在电路中创造和测量量子叠加态很感兴趣
当时，电路作为一个整体是否能以量子力学的方式运行还不明显
为了在电路中实现稳定的量子位并在电路中产生开关状态，电路还需要能够支持叠加状态
我们最终想到了使用超导电路的想法
超导状态没有任何电阻和损耗，因此它是流线型的，以响应小的量子力学效应
为了测试这个电路，我们使用了一个由铝制成的微型超导岛，它通过约瑟夫森结(一个被纳米厚的绝缘屏障隔开的结)连接到一个更大的超导接地电极上，我们捕获了穿过这个结的超导电子对
由于铝岛很小，由于负电荷对之间的库仑阻塞效应，它最多只能容纳一个多余的对
岛中零个或一个多余对的状态可以用作量子位的状态
量子力学隧穿保持了量子位的相干性，并允许我们创建一个叠加态，这完全由微波脉冲控制
混合系统 由于量子计算机非常微妙的性质，在不久的将来，它们不太可能出现在家庭中
然而，认识到面向研究的量子计算机的巨大好处，像谷歌和IBM这样的工业巨头，以及世界各地的许多初创公司和学术机构，正在越来越多地投资于研究
一个完全纠错的商业量子计算平台可能还需要十多年的时间，但是最先进的技术发展已经带来了新科学和新应用的可能性
更小规模的量子电路已经在实验室里完成了有用的任务
例如，我们将超导量子电路平台与其他量子机械系统结合使用
这种混合量子系统允许我们以前所未有的灵敏度测量集体激发下的单个量子反应——无论是磁体中的电子自旋进动、衬底中的晶格振动还是电路中的电磁场
这些测量应该会推进我们对量子物理的理解，以及随之而来的量子计算
我们的系统也足够灵敏，可以测量微波频率下的单个光子，其能量比可见光光子低五个数量级，而不会吸收或破坏它
人们希望这将成为连接遥远的量子比特模块的量子网络的一个组成部分
量子互联网 超导量子计算机与光量子通信网络的接口是我们混合系统未来的另一个挑战
这将是在对未来的预期中开发出来的，未来将包括一个通过光线路连接的量子互联网，让人想起今天的互联网
然而，即使是在电信波长的单光子红外光也不能直接击中超导量子比特而不干扰量子信息，所以仔细的设计是必须的
我们目前正在研究混合量子系统，该系统通过其他量子系统将量子信号从超导量子位转换为红外光子，反之亦然，例如包含微型声学振荡器的量子系统
尽管许多复杂的问题需要克服，科学家们可以看到量子计算机在地平线上增强的未来
事实上，量子科学每天都在我们手中
如果没有对半导体中电子特性的正确理解，晶体管和激光二极管就永远不会被发明出来，而半导体中的电子特性完全是基于对量子力学的理解
因此，通过智能手机和互联网，我们已经完全依赖于量子力学，而且在未来我们只会变得更加依赖量子力学
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