可扩展量子技术的关键里程碑：半导体量子位的2D阵列，可充当量子处理器

使用半导体制造技术制造的四量子位量子处理器的示意图。

任何计算机的心脏，即中央处理器，都是使用半导体技术构建的，该技术能够将数十亿个晶体管放置在单个芯片上。现在，来自TU Delft和TNO之间合作的QuTech的Menno Veldhorst小组的研究人员表明，该技术可用于构建二维量子比特阵列，以充当量子处理器。他们的工作是可伸缩量子技术的重要里程碑，今天（2021年3月24日）在自然杂志上发表。

量子计算机具有解决经典计算机无法解决的问题的潜力。当前的量子设备拥有数十个量子比特（量子技术的基本构建块），而未来能够运行任何量子算法的通用量子计算机将可能包含数百万至数十亿个量子比特。量子点量子位有望成为一种可扩展的方法，因为可以使用标准的半导体制造技术对其进行定义。Veldhorst：“通过将四个这样的量子比特放入一个两乘二的网格中，展示了对所有量子比特的通用控制，并且运行了一个纠缠所有量子比特的量子电路，我们在实现可扩展的量子计算方法方面迈出了重要的一步。”

整个量子处理器

作为量子信息的平台，已经研究了被困在量子点中的电子，这些量子点是大小仅为几十纳米的半导体结构。尽管做出了所有承诺，但扩展到两个量子位逻辑之外仍然难以捉摸。为了打破这一障碍，Menno Veldhorst和Giordano Scappucci等组织决定采用一种完全不同的方法，并开始研究锗中的空穴（即缺少电子）。使用这种方法，定义量子位所需的相同电极也可以用于控制和纠缠它们。Menno Veldhorst研究组的研究生，论文的第一作者Nico Hendrickx说：“不必在每个量子位旁边添加任何大的附加结构，以使我们的量子位几乎与计算机芯片中的晶体管相同。”“此外，我们已经获得了出色的控制，可以随意耦合量子比特，从而允许我们对一个，两个，三个和四个量子比特的门进行编程，从而有望实现高度紧凑的量子电路。”

Menno Veldhorst和Nico Hendrickx站在主持锗量子处理器的装置旁边。

在2019年成功创建了第一个锗量子点量子位之后，其芯片上的量子位数量每年都在增加一倍。维尔德霍斯特说：“当然，四个量子位决不是一台通用量子计算机。”“但是通过将量子比特放入两乘二的网格中，我们现在知道如何沿不同方向控制和耦合量子比特。”任何用于集成大量量子位的现实架构都要求它们在两个维度上相互连接。

锗作为高度通用的平台

在锗中演示四量子位逻辑定义了量子点领域的最新技术，并标志着朝着密集且扩展的二维半导体量子位网格迈出的重要一步。除了与先进的半导体制造兼容之外，锗还是一种用途广泛的材料。它具有令人兴奋的物理特性，例如自旋轨道耦合，并且可以与超导体等材料接触。因此，锗被认为是多种量子技术的绝佳平台。Veldhorst：“现在，我们知道了如何制造锗并操作一系列量子位，锗量子信息之路就可以真正开始了。”

参考：Nico W. Hendrickx，William IL Lawrie，Maximilian Russ，Floor van Riggelen，Sander L. de Snoo，Raymond N. Schouten，Amir Sammak，Giordano Scappucci和Menno Veldhorst撰写的“四比特锗量子处理器”，自然。
10.1038 / s41586-021-03332-6

资金：这项研究得到了荷兰研究委员会NWO的支持。