量子计算革命已经到来。嗯，几乎。你不可能错过那些宣扬最新一代量子计算强大能力、它们超越传统计算机的能力（一种称为量子优越性的特性）以及未来巨大潜力的头条新闻。
但是一个重要的问题仍然存在——我们将如何制造这些设备？量子计算机依赖于光子和/或被困在极低温度下的磁场中的奇异物质状态。因此，很容易想象量子计算将需要一个建立在新技术之上的全新工业基础。
但还有另一种可能性：量子计算机可以处理通过一种称为量子点的晶体管类设备（由硅制成）的电子。如果是这样，整个革命都可以依托支持当前芯片制造的工业基础。
现在，由于荷兰代尔夫特理工大学的 Anne-Marije Zwerver 和她的同事们（其中许多人在美国芯片制造商英特尔位于俄勒冈州希尔斯伯勒的研究实验室工作）的努力，这一选择看起来又近了一步。该团队制造了纳米级硅晶体管，这些晶体管可以可靠地处理量子信息，其性能可与专用设备相媲美。
但关键的突破在于，他们使用工业芯片制造工艺实现了这一点，并且良率足够高，能够实现显著的可扩展性。这为工业规模制造量子计算芯片铺平了道路。“使用全工业技术制造高质量量子比特的可行性极大地增强了大型量子计算机的前景，”团队表示。
量子点
学术实验室多年来一直在制造这类量子点设备。本质上，量子点类似于在单电子级别运行的晶体管。它包含一个通道，电子可以通过该通道流动，上面有一个限制电子一次只流过一个的栅极。
这种控制是一种微妙的平衡。栅极将通道中的电势塑造成阱，阱会捕获单个电子——因此得名量子点。这些阱通常位于其他操纵或读取电子自旋的组件旁边。
但电场非常微妙，它们会受到其他组件的任何杂散场、污染物甚至硅缺陷的影响。因此，制造条件中的任何微小变化都可能破坏电子的量子特性。
这就是为什么这些设备只能在特殊设施中制造，即使那样数量也很少。相比之下，工业芯片制造的目标是在单个芯片上制造数十亿个晶体管。一个关键问题是，这些制造条件是否可以做到足够均匀，以制造量子点。
根据 Zwerver 及其同事的说法，答案是肯定的。他们的晶圆直径为 300 毫米——大约相当于一块奥利奥饼干的大小——每个晶圆包含约 10,000 个量子点。团队的测量表明，这些量子点的性能与在专用设施中制造的相当。“我们实现了具有惊人均匀性的纳米级栅极图案，”他们说。
更详细地说：“使用磁共振进行的单自旋量子比特操作显示，在 1 特斯拉下弛豫时间超过 1 秒，相干时间超过 3 毫秒，这与迄今为止报道的硅自旋量子比特的质量相匹配，”Zwerver 及其同事说。
这项有趣的工作为工业规模制造量子计算机芯片铺平了道路。当然，这些仍将是奇异的设备。它们将需要比地球磁场强数万倍的巨大磁场。并且它们需要冷却到超导温度。
所以，在不久的将来，没有人会把它们随身携带。但随着大规模生产，量子计算机可能很快就会成为世界各地超级计算设施的标准配置，在那里，复杂的计算可以分为经典和量子部分，然后传递给相应的处理机进行处理。
当然，这将成为可能的一切仍然是一个有争议的话题。但工业制造的前景应该有助于让每个人的思考更加清晰。
参考：arxiv.org/abs/2101.12650：通过先进半导体制造生产的量子比特
