作者:Dr
康斯坦茨大学于尔根·格拉夫 新自旋量子位的示意图，由四个电子(红色)和它们在周围半导体结构中的自旋(蓝色)组成(灰色) 量子计算机的竞赛最有可能在量子位(量子位)——量子计算机的最小信息单位——决定
将几个量子位耦合到一个计算系统中是目前量子计算机发展中最大的挑战之一
一个关键问题是哪种物理系统和哪种材料最适合量子位
基于超导体的量子位的发展已经取得了最大的进步——但是越来越多的迹象表明，硅半导体技术可能是一种在芯片生产中具有决定性优势的新兴替代技术
经典位是我们当前计算机中最小的数据存储单元
它可以恰好取两个值:1和0——或者换句话说:电流要么流动(“1”)，要么不流动(“0”)
另一方面，量子位并不局限于这两种状态:它可以同时假设一个中间状态为1和0，称为“叠加”
“只有在测量的瞬间，这个中间状态才达到一个固定值
换句话说:正常比特在任何给定的时间都有一个定义的值，而量子比特只有在各自的测量时刻才有一个定义的值
这一特性是量子计算机可以用来解决某些问题的巨大计算能力的基础
这使得这种量子信息的存储更加复杂——一个简单的“电流开/关”是不够的
相反，空间和时间中最快和最小的过程作为基础:电子或光子的量子态可以用来实现一个量子位
就硅量子比特而言，单个电子的固有角动量——电子自旋——用于信息存储
在这里，电子的旋转方向和它的量子态一起编码了量子信息
可以理解，这是非常脆弱的，因为即使是原子水平上最细微的扰动也会影响电子的角动量并破坏量子信息
今天的挑战:耦合量子比特 一个更困难的任务是连接量子位，因为单个量子位不足以执行算术运算
就像标准计算机一样，量子计算机需要多个(量子)位连接在一起才能形成一个计算系统:因此，单个量子位必须能够相互作用
如果要耦合的量子位在芯片上相距甚远，那么必须首先用一种“量子总线”将一个量子位带到另一个量子位的附近，才能进行计算操作
由两个硅电子组成的量子门
两个电子的角动量由两个纳米电极(VL和虚拟现实)控制
第三个纳米电极协调两个电子的相互作用
学分:康斯坦茨大学 在基于自旋的量子位的情况下，这意味着一个电子的角动量必须被精确地传输或转移到另一个电子，并且干扰最小——不仅仅是一次，而是可能数千甚至数百万次
科学面临的一个挑战——量子位的互联可能是目前量子计算机发展的最大障碍
“不管你是建立一个量子位，还是把几十个、几百个或几千个量子位组合在一起，都有区别
康斯坦茨大学理论凝聚态物理和量子信息教授吉多·伯卡德说:“量子位之间可能发生难以控制的相互作用。”
目前，最先进的量子计算机原型实现了20到50个量子比特的耦合
“这已经是一大成功了
然而，在实际应用之前，还有很长的路要走
“执行有意义的算术运算需要数千或数百万个量子位，”吉多·伯卡德说
硅的潜力 迄今为止最先进的量子计算机系统是基于超导体的
基于超导体的系统非常强大，但它们必须克服局限性:它们不能在室温下工作，而是在略高于绝对零度(约-273摄氏度)的温度下工作
此外，从技术小型化的角度来看，超导体相对能量密集且相对较大，因此只有少量基于超导体的量子位适合于芯片
随着超导体量子位的进一步发展，研究也进入了替代系统
硅是最有前途的材料之一:“我们相信硅基半导体量子位提供了巨大的前景，”吉多·伯卡德解释道
硅基量子比特的优势在于，由于只有几纳米大小，它们明显比超导体系统小
因此，它们中的更多可以被放入一个计算机芯片——可能有数百万个
“此外，工业界已经拥有数十年的硅半导体技术经验
硅基量子位的开发和生产从中受益匪浅——这是一个不小的优势，”吉多·伯卡德解释道
早在2017年，吉多·伯卡德的研究团队与普林斯顿大学和马里兰大学合作，成功地为硅量子位创造了一个稳定的“量子门”
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一种用于最初两个量子比特系统的交换系统，能够执行量子计算机的所有基本操作
物理学家们正在建立的一个里程碑:“我们现在的任务是尽可能扩大和互连大量的硅量子位，同时将串扰降至最低，”伯卡德说
为了实现这一目标，他现在已经在欧洲、德国和巴登-符腾堡三个大型研究网络的框架内，与量子位开发领域的领先研究团队联手
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