在矽裡置入兩顆磷原子,澳洲科學家把量子運算速度提升 200 倍!

西蒙斯教授的研究團隊。圖片來源:南威爾士大學

量子電腦運用量子疊加原理,產生 0 與 1 之外的量子位元(qubit),進而提升運算速度;量子電腦的運算速度是傳統電腦的 500 兆倍以上,將顛覆現有的資料架構、資安防護等資訊領域。

近日,澳洲物理學家在量子運算領域取得突破。他們在矽材料中置入兩個磷原子,運算速度因此提升 200 倍,是建構原子級量子電腦的里程碑。

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這款運算速度 level up 的量子電腦,到底是什麼神物?

在矽材料中置入兩個磷原子,運算速度提升 200 倍

該實驗由澳洲新南威爾士大學的量子物理教授 – 米歇爾.西蒙斯的團隊主導。西蒙斯的團隊在矽材料中,置入兩個磷原子,讓磷原子成為囚禁電子,建立首個矽基磷原子的兩個量子位元的量子門,運算速度比其他基於矽的兩量子位元電腦快 200 倍。

之前已經有論文證明,以矽為載體的磷電子,其自旋的交互作用可以讓量子電腦以千兆赫茲的速度運算;然而技術上的瓶頸,直到近期才被西蒙斯的團隊解決。

該技術瓶頸是,科學家很難確定磷原子電子之間的量子門,進行交換關係(打開或關閉)所需的原子距離。若距離太遠,交換門不易打開;距離太近,則不易關閉。西蒙斯團隊在實驗中發現,原子距離 13 奈米是最適當的,解決了技術上的問題。

13 奈米是最適當的磷原子距離。圖片來源:南威爾士大學

量子運算有五大要件,西蒙斯團隊讓矽基量子電腦從理論成為現實

目前量子電腦有很多種,除了西蒙斯團隊研究的矽基量子電腦之外,還有超導體量子電腦、半導體量子電腦、光量子電腦等。西蒙斯表示,矽基量子電腦有較長的相干時間(衡量量子位元保持量子態的時間)與較高的保真度(衡量資訊交換的準確性)。

西蒙斯團隊的研究論文發表在近期的《自然》期刊上。該團隊的研究,滿足了量子計算的五大判決要求(Di Vincenzo’s criteria),而矽基量子電腦也從理論成為現實。

根據 David P. DiVincenzo 提出的五大判決要求,一個能夠進行量子運算的系統,會滿足這五大條件:

1. 物理系統可擴展,且系統中的量子位元具有良好性能
2. 將量子位元的狀態初始化為簡單基態的能力
3. 去相干時間長
4. 一組通用量子位元門(包含單位元量子門和兩位元量子門)
5. 一種基於量子位元的測量能力

過去的矽基量子電腦只滿足第 1、2、3、5 點條件,而西蒙斯團隊的研究證實了第 4 點要求。該團隊的下一個目標,是在 5 年內建構 10 位元的量子整合電路,並在 10 年內商業化。

主導實驗的西蒙斯(中)。圖片來源:南威爾士大學

量子電腦產業蓬勃發展,全球仍需 2 萬名量子專家

從商用角度來看,有兩種標準可以評估量子電腦的商業潛力:

1. 開發性能超越傳統電腦的量子電腦,實現「量子霸權」
2. 開發可執行商業應用程式的處理器

前者需要 50 個量子位元,後者所需的量子位元較少。

傳統電腦只能用 0 和 1 兩種位元計算,量子電腦有 0 和 1 的疊加態,因此運算速度更快,是傳統電腦的 500 兆倍,可執行繁重的計算作業,用於氣象預報、天文研究、藥物開發、自駕車等各樣領域。

昆士蘭大學數學與物理學教授湯姆.斯塔斯表示,量子電腦正在從學術研究領域轉到商業領域,是個蓬勃發展的產業,而且「全球還缺少 2 萬個量子專家」。

現階段已經有商用的量子電腦了,例如 IBM Q,但它們離消費者的生活還有段距離。隨著量子技術的進步與普及,有朝一日,量子電腦會進到我們的生活中,如同現在的筆電、手機,成為生活中不可或缺的電子產品。

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參考資料來源:
1.《南威爾士大學》:〈200 times faster than ever before: the speediest quantum operation yet
2.《Nature》:〈A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon
3.《環球科學》:〈 将量子计算的速度提升 200 倍!硅基原子级两比特量子门问世
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源: 南威爾士大學

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