晶体棱镜为量子计算芯片带来了更好的控制能力

概念图（来自：UNSW / Tony Melov）

如上图所示，晶体介电谐振器有助于将微波能量集于到磁场，并借助该磁场来控制硅芯片中量子比特的旋转（蓝色箭头）。

传统计算机以“0”和“1”组成的二进制方案，来存储和处理信息。不过在量子计算机中，还存在着同时为“0”或“1”的量子态。

研究配图 – 1：用于片外 ESR 和 DR 模拟的设备堆栈

尽管因此拥有了巨大的处理性能潜力，但量子计算机仍存在着一些难以被克服的问题。

据悉，在硅量子处理器中，信息被编码到电子的“上下自旋”中，以分别代表“0”和“1”。

通常情况下，相关操作是通过与量子比特一起运行的电线所产生的磁场调节来实现的。

研究配图 – 2：具有锁存自旋阻塞读出的硅双量子点

截止目前，概念验证用的量子计算芯片，已经演示了对数十个量子比特的控制方法。

但要实现真正强大的运算，至少需要数十万、甚至数以百万级的量子比特。

尴尬的是，电力布线会占用芯片中的宝贵空间，并产生过多的热量。

研究配图 – 3：ESR 结果

好消息是，新南威尔士大学团队提出了一套新方案，能够同时向大量量子比特传递电磁场。助其实现这一目标的，就是一种被称作“介电谐振器”的晶体棱镜。

位于硅芯片正上方的该装置，能够将微波引导并聚焦到低于 1 毫米的波长，从而产生一个可用于控制下方量子比特自旋的磁场。

研究通讯作者 Jarryd Pla 表示，这项技术有两大创新点：

首先，我们无需投入大量功率，来为量子比特提供强大的驱动磁场，因而发热量也不会太大。

其次，整个芯片的磁场非常均匀，那样就算规模达到百万级的量子比特，也可基于同样的方案来实现控制。

Engineers Make Critical Advance in Quantum Computer Design（via）

在当前的实验中，研究团队已能够利用该磁场来翻转单个量子比特的状态。不过想要同时产生两种状态的叠加，仍依赖于进一步的研究。

研究团队表示，该方案有望最终实现一次对 400 万个量子比特的控制。有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《科学进展》（Science Advances）杂志上。

原标题为《Single-electron spin resonance in a nanoelectronic device using a global field》。