日本和悉尼科学家解决了量子计算机三维封装难题

高效的量子计算有望实现经典计算机不可能实现的飞跃，来自日本和悉尼科学家合作并提出了一种新的二维设计，可以利用现有的集成电路技术来构建。这种设计解决了目前放大量子计算机三维封装面临的典型问题，使未来更近了一步。量子计算正日益成为物理、化学等领域的科学家和制药、飞机、汽车等行业实业家关注的焦点。在全球范围内，谷歌和IBM等公司的研究实验室正在花费大量资源来改进量子计算机，这是有充分理由的。

量子计算机使用量子力学的基本原理，处理比经典计算机快得多的信息量。预计当纠错和容错量子计算实现时，科技进步将以前所未有的规模发生。但事实证明，就其架构而言，建造用于大规模计算的量子计算机是一个挑战。量子计算机的基本单位是“量子比特”，这些通常是原子、离子、光子、亚原子粒子(如电子)，甚至是同时以多个状态存在的更大元素，这使得快速获得大量数据的几个潜在结果成为可能。

对量子计算机的理论要求是，这些量子计算机排列成二维(2-D)阵列，其中每个量子比特都与其最近的邻居耦合，并连接到必要的外部控制线和设备。当阵列中的量子比特数增加时，很难从边缘到达阵列内部的量子比特。到目前为止，解决这个问题的需要，已经导致了跨越多个平面复杂的三维(3-D)布线系统，其中许多导线相交，这使得它们的建设成为一个重大工程挑战。来自日本东京科学大学、日本理研应急物质科学中心和悉尼科技大学的一组科学家：

在蔡昭申教授的带领下，通过修改量子比特阵列的结构，提出了一个独特的解决方案，来解决这个量子比特可及性问题：研究解决了这个问题，并提出了一种改进的超导微体系结构，它不需要任何3D外线技术，并且恢复到完全平面的设计，其研究成果现已经发表在《新物理》期刊上。科学家们从量子比特正方形格子阵列开始，在2-D平面上展开每一列。然后，将每一列连续的列叠加在一起，形成一个双一维阵列，称为双线性阵列。

这就把所有的量子比特都放在了边缘，简化了所需布线系统的安排。系统是二维的，在这个新的体系结构中，一些量子比特之间的布线（每个量子比特也连接到阵列中所有相邻的量子比特）确实重叠，但因为这些是布线中唯一的重叠，简单的局部三维系统，如重叠点的气桥就足够了，系统总体上仍然是三维的。正如你可以想象的那样，这大大简化了结构，科学家们通过数值和实验评估来评估这种新结构的可行性。

在这些评估中，测试了信号在重叠点气桥之前和之后保留了多少。这两项评估的结果都表明，可以使用现有技术建造和运行该系统，而不需要任何三维架构布线。实验还表明，架构解决了困扰三维结构的几个问题：它们很难建造，通过两根电线传输的波之间存在串扰或信号干扰，以及量子比特的脆弱量子态可能会退化。新颖的伪二维设计减少了导线相互交叉的次数，从而减少了串扰，从而提高了系统的效率。

在世界各地大型实验室都在试图寻找建造大规模容错量子计算机的方法之际，这项令人兴奋的新研究结果表明：可以使用现有的二维集成电路技术来建造这样的计算机，量子计算机是一种信息设备，预计将远远超过现代经典计算机的能力，这方面的研究才从这项研究开始，研究人员正计划建造一个小型电路，以进一步检视和探索这种可能性。

来源：博科园｜研究/来自：东京理科大学

参考期刊《新物理》