Nature：挣脱低温枷锁，量子计算系统首次在 1.5 开尔文下运行

如果你注意量子计算机领域的报道，你可能会熟悉下面这个优雅而复古的蒸汽朋克物体。

图1 IBM使用的稀释冰箱(来源:IBM)

图1谷歌使用的稀释冰箱(来源:谷歌)

它会被误认为是量子计算机的本体，但事实上它不是。这是一个专门用于“冷却”量子计算机的稀释冰箱。当这台价值百万美元的机器运行时，它需要完成的任务是保持温度接近绝对零度，以确保量子位的稳定性。

近年来，尽管量子计算机在世界各地都在发展，但大多数量子计算机只能在接近绝对零度时工作。一旦量子计算机连接到传统的电子电路上，它就会立即过热，因此需要特殊的制冷设备。

但是现在，由悉尼新南威尔士大学的安德鲁·祖拉克教授领导的团队朝着解决这个问题迈出了重要的一步。

在今天《自然》在线发表的一篇论文中，祖拉克教授的团队与来自加拿大、芬兰和日本的合作伙伴一起，报道了一种概念验证量子处理器单元，它不同于目前世界上正在探索的大多数设计，不需要0.1开尔文的温度就能工作。其工作温度为1.5开尔文。

这一温度比谷歌、IBM和其他公司使用的超导量子位芯片的工作温度高15倍:谷歌和IBM主要专注于超导量子位的研究，从而推动量子计算系统在毫开尔文范围内运行，仅比绝对零度高一点点。

图图、杨亨利和安德鲁·祖拉克(资料来源:-凯利)

新南威尔士大学团队的Henry Yang博士领导了验证实验，他告诉DeepTech，将温度降低到1.5开尔文意味着现在可以使用更简单、更便宜的冷却系统。

祖拉克教授说:“我们的最新研究成果开辟了一条从实验设备到实用量子计算机的道路，它可以支持现实世界中的商业和政府应用。”

(来源:国际商用机器公司)

“冻结”粒子的成本

为了创造一个更大的实用量子计算机，环境温度问题是许多重要挑战之一。

像经典计算机一样，量子计算机也需要面对“散热”问题。但是不同的是量子计算机的“散热”问题要困难得多。

这与量子计算的基本原理有关。

与使用0或1信息位的传统机器不同，量子计算机的基本计算单位是“量子位”。利用量子力学的叠加和纠缠原理，量子比特可以同时处于两种状态，因此它们可以获得比经典计算机高得多的计算能力。

然而，为了保持这种状态，必须消除噪声的干扰，因为即使是最轻微的干扰也会破坏这种叠加状态并导致计算误差。

图片:谷歌的桑树量子芯片(来源:谷歌)

在工程中，对微观粒子状态的控制是核心难点。为了控制粒子的状态，一个可行的解决方案是将环境温度接近绝对零度，这相当于“冻结”粒子。

这是量子计算机顺利运行的关键一步。这也使得稀释制冷，最先进的制冷技术之一，在这个领域有用。稀释制冷机是基于超导、自旋和拓扑量子比特技术的量子计算机的主要组成部分。其原理类似于液体蒸发和吸热。基于氦的同位素混合物实现热流。

图1稀释制冷原理(来源:互联网)

以谷歌为例，该公司去年高调宣布实现“量子优势”。谷歌量子计算机的53个量子位都是由一个超导金属微电路组成，具有两种不同的能量设置或状态。然而，该系统必须放置在重稀释制冷设备(电话亭大小)中，并在接近绝对零度时运行。

谷歌研究人员表示，他们可以在一个稀释冰箱中保存大约1000个量子位。随着这一发展，一台拥有数百万个量子位的成熟量子计算机可能需要数千个相互连接的稀释制冷设备。

使用足够多的量子位来维持量子计算机需要超低温，这不仅昂贵，还需要将制冷技术推向极限，这是令人望而生畏的。从长远来看，这种解决方案不利于实用量子计算机的诞生。

“系统中每增加一对量子位都会增加总热量，增加的热量会导致计算错误。这也是当前设计需要保持接近绝对零度的主要原因，”德祖拉克也解释道。

阿里达摩研究所量子团队展示的稀释冰箱模型(来源:DeepTech)

制冷成本的大幅削减。

因此，该团队认为从0.1开尔文增加到1.5开尔文意味着冷却成本的显著降低。

“众所周知的每日温度概念很难感觉到0.1至1.5开尔文的上升，但在量子世界中，这意味着我们正在走出极端。1.5开尔文仍然是一个非常低的温度，但是只需要几千美元的制冷设备就可以达到，而不需要花费数百万美元来将温度降低到0.1开尔文。

德祖拉克教授的团队开发的处理器单元由两个量子位组成，它们被放置在一对嵌入硅中的量子点中。研究结果表明，如果扩大加工单元规模，现有的硅片厂可以建成。

他们是怎么做到的？

图1硅中自旋电子产生的量子位(来源:UNSW)

验证实验的负责人杨亨利博士告诉DeepTech，实现温度上升的关键在于改善阅读自旋的环节。

“一般来说，我们通过自旋相关的隧穿来读取电子的自旋，这依赖于一个大的电子库。然而，在更高的温度下，储层的能量变得模糊，失去了自旋相关性。在这项工作中，我们通过在两个量子点之间而不是在储层之间隧穿电子来读取自旋信息，这一过程对热非常有弹性，”他说。

亨利进一步解释道:“首先，这意味着我们现在可以使用一个更简单、更便宜的冷却系统:一个泵加上一个真空的充满液氦(4He)的瓶子系统可以冷却到1.5开尔文。

另一方面，为了用稀释冰箱将温度降低到0.1卡尔文，必须仔细设计氦的两种不同同位素(3He和4He)之间的接触表面和液体比，并且需要多级温度控制和多个泵。3氦也是一种非常稀有和昂贵的氦同位素。"

该团队的下一个目标是将该技术从大学的研发实验室环境转移到全面的CMOS硅芯片制造，挑战一个芯片上数百万硅量子位的集成。

目前，最先进的量子信息技术，如量子计算和量子通信，已经成为科技界和工业界追求的热点。以谷歌和IBM为代表的科技企业在量子计算机的研发上投入了大量资源，将量子计算机的研发和竞争推向了高潮。

从精确的药物研发到搜索算法，量子计算机有望在许多重要问题上胜过传统计算机。然而，设计一台可以在真实环境中制造和运行的量子计算机是一项具有挑战性的系统工程。

在一个行业论坛上，中国科学院院士郭广灿曾经指出:“与普通计算机相比，量子计算机有很大的优势。与普通计算机相比，量子计算机相当于算盘计算机。”他解释说量子计算机必须做的是计算问题。电子计算机使用电子芯片串联计算，量子计算机使用量子芯片并联计算。困难在于芯片和软件。冷却只是芯片运行中的挑战之一。

特别是在国内，路透社曾报道称，2019年12月，美国商务部的一份内部文件提议，未来限制向中国等美国量子计算竞争对手出口稀释冰箱。根据新世界工业研究中心发布的一份报告，目前国内外超导量子计算领域的研发竞争异常激烈，包括谷歌、IBM、耶鲁、麻省理工、中国科技大学、清华等企业和大学都在投入巨大资源。超导量子计算的快速发展导致了稀释冰箱的快速增长，2018年全球稀释冰箱市场增长率达到67.9%。

亨利还指出，在现有系统中，量子计算机仍然需要在较低的温度下表现得更好。在现阶段，尚不清楚量子计算机是否能进入成千上万的家庭。

“我们目前的假设是，量子计算机将连接到云服务器，未来的用户将能够远程访问这些服务器，”他说。

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