对锑原子的 16 个量子态的艺术描绘，以及人们可以在它们之间攀爬的所有不同方式。图片来源：悉尼新南威尔士大学
悉尼新南威尔士大学的量子计算工程师已经证明，他们可以在硅芯片内的单个原子内以四种独特的方式对量子信息（量子计算机中的特殊数据）进行编码。
这一壮举可以缓解在仅几平方毫米的硅量子计算机芯片中操作数千万个量子计算单元的一些挑战。
在发表在《自然通讯》上的一篇论文中，工程师们描述了他们如何使用锑原子的16个量子“态”来编码量子信息。
锑是一种重原子，可以植入硅芯片中，取代现有的硅原子之一。之所以选择它，是因为它的原子核具有八个不同的量子态，加上一个具有两个量子态的电子，总共有 8 x 2 = 16 个量子态，所有这些都在一个原子内。使用简单的量子比特（或量子比特，量子信息的基本单位）达到相同数量的状态需要制造和耦合其中的四个状态。
该研究的主要作者艾琳·费尔南德斯·德·富恩特斯（Irene Fernandez de Fuentes）说，该团队在Scientia教授安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）的指导下，利用了十多年的工作，这些工作建立了不同的量子控制方法，以证明在同一原子中所有方法都是可能的。锑原子是由墨尔本大学的同事使用澳大利亚国立大学的重离子加速器的设施植入芯片的。
“首先，我们证明我们可以用振荡磁场控制锑的电子，类似于2012年的突破，这是量子比特首次在硅中得到证明，”她说。
“接下来，我们展示了我们可以使用磁场来操纵锑核的自旋。这是标准的磁共振方法，例如在医院的MRI机器中使用。第三种方法是用电场控制锑原子的原子核，这是 2020 年偶然发现的。
“第四种方法是控制锑核和电子彼此相对，使用所谓的触发器量子比特的电场，该团队去年就证明了这一点。
“这项最新实验表明，所有这四种方法都可以使用相同的架构在同一个硅芯片中使用。
拥有四种不同方法的优势在于，每种方法都为计算机工程师和物理学家在设计未来的量子计算芯片时提供了更大的灵活性。
例如，磁共振比电共振快，但磁场在空间中广泛传播，因此也可能影响相邻的原子。电共振虽然速度较慢，但可以非常局部地应用以选择一个特定的原子，而不会影响其任何邻居。
“有了这个大的锑原子，我们可以完全灵活地将其与硅芯片上的控制结构集成，”Morello教授说。
为什么这很重要未来的量子计算机将有数百万甚至数十亿个量子比特同时工作，在几分钟内处理数字和模拟模型，而今天的超级计算机需要数百年甚至数千年才能完成。
虽然世界各地的一些团队在大量量子比特方面取得了进展，例如谷歌的 70 量子比特模型或 IBM 的 1000 多个量子比特版本，但他们需要更大的空间才能让他们的量子比特在不相互干扰的情况下工作。
但是，莫雷洛教授和其他同事在新南威尔士大学采取的方法是使用已经用于制造传统计算机的技术来设计量子计算。虽然在工作量子比特的数量方面进展可能较慢，但使用硅的优势将意味着能够在一平方毫米的芯片中拥有数百万个量子比特。
“我们正在投资一种更难、更慢的技术，但有充分的理由，其中之一就是它能够处理的信息密度极高，”莫雷洛教授说。
“在一平方毫米内有2500万个原子是很好的，但你必须一个接一个地控制它们。能够灵活地使用磁场、电场或它们的任意组合来做到这一点，这将为我们在扩大系统规模时提供很多选择。
返回实验室接下来，该小组将利用锑原子的大计算空间来执行量子操作，这些操作比普通量子比特提供的量子操作要复杂得多。他们计划在原子内编码一个“逻辑”量子比特——一个建立在两个以上量子能级上的量子比特，以获得足够的冗余来检测和纠正错误。
“这是实用、有用的量子计算机硬件的下一个前沿，”Morello教授说。
“能够在单个原子中构建纠错的逻辑量子比特将是一个巨大的机会，可以将硅量子硬件扩展到商业用途。
更多信息：艾琳·费尔南德斯·德·富恩特斯（Irene Fernández de Fuentes）等人，用电场和磁场导航高自旋供体qudit的16维希尔伯特空间，Nature Communications（2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45368-y
