摘要：要证明量子计算机的实用价值，需要数百万个量子比特，这还需要走很长的路，其中一个问题是晶片上的量子位必须彼此非常接近。研究人员现在已经成功地在量子芯片上将电子传输了几微米，为解决这个问题迈出了重要的一步。



要证明量子计算机的实用价值，需要数百万个量子比特。可扩展性是未来设备开发中的最大挑战之一。为了将量子位耦合在一起，晶片上的量子位必须彼此非常接近。Forschungszentrum Jülich和RWTH亚琛大学的研究人员现在已经朝着解决这个问题迈出了重要的一步，成功地在量子芯片上将量子信息载体——电子传输了几微米。他们的“量子总线（quantum bus）”可能是实现百万量子比特飞跃的关键部件。

对于某些任务，量子计算机有可能大大超过传统计算机的能力。但是，在它们能够帮助解决现实世界问题之前，还有很长的路要走。许多应用需要具有数百万量子比特的量子处理器。今天的原型仅仅提供了很少这样的计算单元。

“目前，每个单独的量子位通过几条信号线连接到碗橱大小的控制单元。这对几个量子位仍然有效。但是，如果你想在芯片上放置数百万个量子位，这就不再有意义了。因为这对量子纠错是必要的，”来自JARA量子信息研究所和亚琛工业大学的Lars Schreiber博士说。

在某些时候，信号线的数量会成为一个瓶颈。与微小的量子位相比，这些线占据了太多的空间。一个量子芯片不可能有数百万个输入和输出——一个现代经典芯片只包含大约2000个输入和输出。Schreiber与Forschungszentrum Jülich和RWTH Aachen大学的同事一起进行了几年的研究，以找到这个问题的解决方案。

他们的总体目标是将部分控制电子设备直接集成到芯片上。这种方法基于由硅和锗制成的所谓半导体自旋量子位，这是相对很小的一种量子位。制造过程在很大程度上与传统的硅处理器相匹配。当实现非常多的量子位时，这被认为是有利的。但首先，必须克服一些基本障碍。

仅由粒子的接近引起的自然纠缠被限制在非常小的范围内，大约100纳米。为了耦合量子位，它们现在必须彼此靠得很近。Schreiber说，“根本没有空间来安装我们想要安装的额外控制电子设备。”

为了分离量子位，JARA量子信息研究所（IQI）提出了量子穿梭的想法。这种特殊的组件应该有助于在更远距离的量子位之间交换量子信息。研究人员已经研究“量子总线”（quantum bus）五年了，并且已经申请了10多项专利。这项研究是作为欧洲QuantERA联盟Si-QuBus的一部分开始的，现在正在联邦教育和研究部（BMBF）的国家项目QUASAR中与工业伙伴一起继续进行。

“从一个量子位到下一个量子位需要桥接大约10微米。理论上，用这样的架构可以实现数百万个量子位。我们最近与Forschungszentrum Jülich的电路工程师合作预测了这一点，”IQI研究所主任Hendrik Bluhm教授解释道。代尔夫特大学（TU Delft）和英特尔公司的研究人员也得出了同样的结论。

Lars Schreiber和他的团队已经迈出了重要的一步，他们成功地将一个电子传输了5000次，传输距离为560纳米，没有任何重大误差。这相当于2.8毫米的距离。该结果发表在科学杂志npj量子信息上。

一个重要的改进是：电子由四个简单的控制信号驱动，这与以前的方法不同，在更长的距离上不会变得更复杂。这是很重要的，否则将需要大量的控制电子设备，这将占用太多的空间或者根本不能集成在芯片上。

这项成就基于一种新的电子传输方式。“到目前为止，人们一直试图引导电子专门绕过它们路径上的单个扰动。或者他们创造了一系列所谓的量子点，让电子从一个量子点跳到另一个量子点。这两种方法都需要精确的信号调整，导致控制电子设备过于复杂，”Lars Schreiber解释道。“相比之下，我们产生的是一种势波，电子在这种势波上简单地掠过各种干扰源。对于这种均匀的波，几个控制信号就足够了；只需要四个正弦脉冲。”

下一步，物理学家将证明电子自旋中编码的量子位信息在运输过程中不会丢失。理论计算已经表明，在一定的速度范围内，这在硅中是可能的。因此，量子总线为可扩展的量子计算机架构铺平了道路，这种架构也可以作为几百万量子位的基础。

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