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！

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。

論文傳送門

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。

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。

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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