来源：半导体产业纵横

本文由半导体产业纵横编译自Semidigest

量子计算机（Quantum computer）是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机，量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。马约拉纳费米子的反粒子就是它自己本身的属性，或许是令量子计算机的制造变成现实的一个关键。量子计算机在舆论中有时被过度渲染成无所不能或速度快数亿倍等，其实这种计算机是否强大，极其需要视问题而定。若该问题已经有提出速算的量子算法，只是困于传统计算机无法执行，那量子计算机确实能达到未有的高速；若是没有发明算法的问题，则量子计算机表现与传统无异甚至更差。

量子计算机承诺前所未有的计算能力，但迄今为止，原型仅基于少数几个计算单元。开发新一代计算机的潜力需要结合大量的量子比特。

这是一个曾经影响经典计算机的可扩展性问题；在那种情况下，它是通过集成到硅芯片中的晶体管来解决的。由巴塞尔大学的 Andreas Kuhlmann 博士和 Dominik Zumbühl 教授领导的研究小组现在已经提出了与经典硅晶体管在设计上非常相似的硅基量子比特。研究人员将他们的发现发表在《自然电子学》杂志上。

以经典硅技术为基础

在经典计算机中，可扩展性问题的解决方案在于硅芯片，其中包括数十亿个“鳍式场效应晶体管”（FinFET）。这些 FinFET 足够小，可用于量子应用；在接近绝对零（0 开尔文或 -273.15 摄氏度）的极低温度下，带负电荷的单个电子或带正电荷的“空穴”可以充当自旋量子比特。自旋量子位以自旋向上（固有角动量向上）和自旋向下（固有角动量向下）两种状态存储量子信息。

Kuhlmann 团队开发的量子比特基于 FinFET 架构，使用空穴作为自旋量子比特。与电子自旋相比，硅纳米结构中的空穴自旋可以用快速电信号直接控制。

在高温环境中工作的潜力

可扩展性的另一个主要障碍是温度。以前的量子比特系统通常必须在约 0.1 开尔文的极低范围内运行。控制每个量子位需要额外的测量线，以将室温下的控制电子设备连接到低温恒温器中的量子位，低温恒温器是产生极低温度的冷却装置。这些测量线的数量是有限的，因为每条线都会产生热量。这不可避免地会在布线中产生瓶颈，进而限制扩展。

绕过这个“接线瓶颈”是库尔曼研究小组的主要目标之一，需要将测量和控制电子设备直接内置到冷却单元中。“然而，集成这些电子设备需要在高于1开尔文的温度下进行量子比特操作，低温恒温器的冷却功率急剧增加以补偿控制电子设备的散热，”巴塞尔大学物理系的Leon Camenzind博士解释说。

与 Camenzind 共同担任该研究的主要作者的博士生 Simon Geyer 补充说：“我们的量子比特已经克服了 4 开尔文标记，达到了液氦的沸点。在这里，我们可以实现更大的冷却能力，从而可以集成最先进的低温控制技术。”

接近行业标准

使用经过验证的技术（如 FinFET 架构）来构建量子计算机提供了扩展到非常大量的量子比特的潜力。“我们在现有硅技术的基础上构建的方法使我们更接近行业实践，”Kuhlmann 说。这些样品是在位于 Rüschlikon 的 IBM Research Zurich 实验室的 Binnig 和 Rohrer 纳米技术中心创建的，该中心是 NCCR SPIN 的合作伙伴，NCCR SPIN 位于巴塞尔大学，并将研究团队视为成员。