反超中国量子技术？澳美科学家获突破！迄今最先进的量子芯片诞生

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2020年年底以来，量子计算领域的多项创新接连涌现，大大推动了量子计算机的发展。二月初，来自澳大利亚和微软的科学家们再次取得突破式进展！成功创造了一种低温量子计算机芯片，能够轻松处理数千个量子比特，可能为下一代量子计算机铺平道路。相关成果发表于《Nature Electronics》上，引发学界广泛关注！

据介绍，这种低温量子芯片由悉尼大学与微软合作工程师共同设计，能够轻松处理数千个量子比特（量子计算的“语言”符号），相比目前最多处理几十个量子比特的初级量子计算机，性能提升了两个数量级！

该芯片的联合发明人Kushal Das博士表示，“这个芯片改变了有关量子计算的一切......这标志着迄今为止人类最先进的量子芯片诞生，在追求量子飞跃的时代向前迈出了巨大一步。 ”

传统计算机采用二进制的信息单位，即“0”状态或“1”状态；而量子计算机虽然依旧是二进制，但同时引入了一种新的状态：“0”和“1”。在这三种状态下，量子计算机的数据传输量急剧提升。

为了最大程度上激发量子计算的潜力，新的芯片需要同时进行上千乃至上百万的量子比特计算。而传统计算机受限于芯片的物理体系结构，最多只能进行几十个量子比特（约50个）的运算。而新的低温量子芯片有效消除了这一结构层面的限制。上图为包含低温芯片的模块化控制平台。

要想建立一个可以处理大量量子信息的“疯狂”系统是一项艰巨的任务。这种低温量子芯片是一种互补金属氧化物半导体，简称CMOS。CMOS芯片位于主板的心脏区域，它保留了一小部分内存，用于发出控制重要任务的指令。

问题在于，量子计算机在高温环境中会引发信息“畸变”，导致信息传输出现差错，因此保持低温基本上是唯一的解决方案。在新的设计方案中，低温量子芯片必须保持在100mK的超低温状态（即-273.05℃）——几乎是绝对零度。

此外，这种新的低温量子CMOS芯片仅需两条电缆传输数据，大大提高了信息输出效率。不得不说，这一跨越式的技术突破将量子计算机的天花板大大抬高，为我们描绘出了更富有想象力的未来。当然，在解决了传输效率、计算效率之后，未来还将继续对运行功耗、保真度（计算准确性）、可扩展性进行优化。

中国在量子计算机领域同样具有“世界第一方阵”地位。2020年12月，潘建伟团队成功构建了76个光子的量子计算原型机——“九章”，该计算机求解“高斯玻色取样”算法仅需200秒，这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。此外，2021年2月初，中国首款国产量子计算机操作系统——“本源司南”正式发布，标志着国产量子软件研发能力已达国际先进水平。

责编/朱张航宇

参考文献：A cryogenic CMOS chip for generating control signals for multiple qubits, Nature Electronics, January 2021, Vol 4:64–70