量子计算机的核心是用于存储和操作信息的量子位元。发表在杂志上的一篇新论文 科学 呼吁材料专家为制造量子位元贡献新想法,量子位元有多种形式。图中显示了五种不同的量子位类型。从左上顺时针方向:超导量子比特,硅量子点,钻石色中心,捕获离子和拓扑保护系统。
一项新的研究概述了制造量子计算机所需的硬件材料的进步,如果这些未来设备要超越我们现在使用的计算机的能力的话。
这项由一个国际团队发表在《科学》(Science)杂志上的研究,调查了量子计算硬件的研究状况,目的是阐明科学家和工程师面临的挑战和机遇。
传统计算机将信息的“位”编码为1和0,而量子计算机通过创造“量子位”(qubits)轻松超越了二进制结构,量子位可以是复杂的、连续的量。以这种奇异的形式存储和操作信息,并最终达到“量子优势”,即量子计算机可以做传统计算机做不到的事情,这需要对底层材料进行复杂的控制。
“在过去的20年里,量子技术的发展出现了爆炸式的发展,”普林斯顿大学电子与计算机工程助理教授、该论文的主要作者纳萨莉·德莱昂(Nathalie de Leon)说,“目前,人们在努力展示量子技术在各种任务中的优势,从计算和模拟到网络和传感。”
德莱昂说,直到最近,这一领域的大部分工作都致力于证明量子器件和处理器的原理,但现在该领域已准备好应对现实世界的挑战。
“就像经典计算硬件在材料科学与工程成为一个巨大的领域在过去的世纪,我认为量子技术领域现在成熟的一种新方法,材料科学家,化学家,设备工程师和其他的科学家和工程师可以高效地把专业的问题。”
该论文的通讯作者、IBM quantum的研究人员韩熙·白(Hanhee Paik)说,这篇论文呼吁研究材料的科学家们转向开发量子计算硬件的挑战。
Paik说:“近年来,量子计算技术的研究和工业进展都在加速。”“为了在未来十年继续前进,我们将需要量子计算硬件的材料和制造技术的进步——这与经典计算在微处理器扩展方面的进展类似。突破不是一夜之间就能实现的,我们希望材料领域有更多的人开始研究量子计算技术。我们的论文是为了给材料界一个全面的概述,我们在量子计算的材料发展方面,有来自该领域的专家意见。”
量子计算机的核心是量子位,它们一起工作产生大量结果。
这些量子位可以以不同的方式,超导量子比特的领先技术,制成的量子位捕获离子与光,量子位硅材料制成的发现在当今计算机、量子比特“颜色中心”在高纯俘获的钻石,和拓扑保护量子位在异国情调的亚原子粒子。本文分析了这些材料所面临的主要技术挑战,并提出了解决这些问题的策略。
研究人员希望其中一个或多个这样的平台最终能够发展到这样一个阶段,即量子计算可以解决当今机器无法解决的问题,例如模拟分子的行为和提供安全的电子加密。
“我认为(这篇论文)是第一次将这种全面的图景整合在一起。我们以‘展示我们的作品’为优先顺序,并解释每个硬件平台的公认智慧背后的原因,”de Leon说。“我们希望,这种方法将使该领域的新参与者有可能找到方法做出重大贡献。”
这十位合著者来自世界各地的研究机构以及IBM T. J.沃森研究中心(IBM T. J. Watson research Center),后者拥有一个主要的量子计算研究小组。这些科学家是在2019年材料研究协会秋季会议上,由IBM quantum和卡弗里基金会赞助的量子计算材料研讨会上认识的。然后,他们在去年大流行期间花了很多时间在家里研究这篇综述论文。
“与一个拥有如此多专业知识的团队合作是一段非常棒的经历,我们的很多活动都涉及到相互询问关于我们为什么相信我们对各自材料平台所做的事情的尖锐问题,”de Leon说,他的研究利用金刚石材料的缺陷,使未来量子互联网节点之间的通信成为可能。
更多信息: Nathalie P. de Leon et al, Materials challenges and opportunities for quantum computing hardware, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abb2823
期刊信息: Science