由2018年澳大利亚年度最佳教授米歇尔·西蒙斯(Michelle Simmons)领导的科学家团队已经实现了硅原子量子比特之间的第一个双量子比特门，这是该团队寻求建立原子级量子计算机的一个重要里程碑。这项重要的研究成果发表7月17日的《自然》杂志上。
双量子比特门是量子计算机的核心组成部分，而新南威尔士大学(UNSW)研发小组研制的版本是硅中所展示的最快的，它在0.8纳秒内完成了一个操作，比其他现有的基于自旋的双量子比特门快约200倍。
在西蒙斯团队的方法中，一个双量子比特门是两个电子自旋之间的一个操作，与经典逻辑门在传统电子学中所起的作用类似。这是首次研究小组通过将两个原子量子比特放在比以往任何时候都更近的地方，然后实时控制地观察和测量它们的自旋状态，从而建立了一个双量子比特门。
该小组独特的量子计算方法不仅需要在硅中放置单个原子的量子比特，还需要所有相关的线路来初始化、控制和读出纳米级的量子比特——这需要非常高的精度，高到人们从前一直认为这是不可能实现。但随着这一重大里程碑的到来，该团队现在正准备将其技术转化为可扩展的处理器。
量子计算与通信技术卓越中心(CQC2T)主任、硅量子计算私人有限公司(Silicon Quantum Computing Pty Ltd.)创始人西蒙斯教授说，过去十年的研究成果证明，我们团队已经打破了“人类不可能实现”的界限。
她说：“原子量子比特以最高的保真度在硅中保持了量子比特最长相干时间的世界纪录。利用独创的制造技术，我们已经证明了以极高的精度读取和初始化硅原子量子比特上的单电子自旋的能力。我们还证明了，我们的原子级线路的电子噪声比任何设计用于连接半导体量子比特的系统都要低。”
“通过优化原子精度设备设计的每一个方面，我们已经能够构建一个真正快速、高度精确的双量子比特门，这是一个可扩展的硅基量子计算机的基本构建块。
“我们证明了在原子尺度上控制世界是可能的，而且这种方法的好处是变革性的，包括我们的系统运行的惊人速度。”
新南威尔士大学科学系主任艾玛·约翰斯顿·奥(Emma Johnston AO)教授说，这篇关键论文进一步说明了西蒙斯教授的研究是多么具有开创性。
“这是米歇尔团队的最后一个里程碑，证明他们可以用原子量子比特制造出一台量子计算机。他们的下一个主要目标是建造一个10量子比特集成线路，我们希望他们在3-4年内达到这个目标。”
工程精度仅为千万分之一米
要利用扫描隧道显微镜精确地将磷原子放置并封装在硅中，研究小组首先必须计算出两个量子比特之间的最佳距离，以实现关键操作。
“精湛的制造技术使我们能够准确地将量子比特放在想要的地方，这使我们能够研制超快双量子门。”来自CQC2T的研究主要合著者萨姆·戈尔曼(Sam Gorman)说。
“自从上一次取得技术突破以来，我们不仅使量子比特更紧密地结合在一起，而且学会了用亚纳米精度控制器件设计的各个方面，以保持高可靠性。”
实时观测和控制量子比特相互作用
然后，研究小组能够实时测量量子比特状态的演变情况。而且，最令人兴奋的是，研究人员展示了如何在纳秒时间尺度上控制两个电子之间的相互作用强度。
“最重要的是，我们能够使量子比特的电子分开得更近或更远，有效地启动和阻止它们之间的相互作用，这是量子逻辑门的先决条件。”另一位主要合著者于和(Yu He)说。
“量子比特的电子受到严格的限制，这是我们的方法所独有的优势，而且我们系统固有的低噪声使我们能够实现迄今为止硅中最快的双量子比特门。”
我们演示的量子门，即所谓的交换门，也非常适合在量子比特之间传输量子信息，当与单个量子比特门结合时，可以运行任何量子算法。
物理极限？已经被打破了
西蒙斯教授说，他们已经达到了20年研发工作价值的巅峰。“这是一个巨大的进步：能够在最小的水平上控制自然，这样我们就可以在两个原子之间创造相互作用，但同时也可以单独地控制原子间的相互作用。”
什么是量子比特？
在西蒙斯教授的方法中，量子比特由硅中磷原子上的电子构成。通过精确定位和封装硅芯片中的单个磷原子来创造量子比特是西蒙斯教授的团队在全球领先的一种独特技术。这类量子比特由于其长期的稳定性，可用于构建大型量子计算机平台。
量子潜力
一台运转中的大型量子计算机有潜力改变信息经济，创造未来产业，在数小时或数分钟内解决传统计算机甚至超级计算机需要几个世纪才能解决的问题，以及解决其它即使是超级计算机也无法在有效的时间内解决的内部问题。其潜在应用包括机器学习、调度和后勤规划、财务分析、股市建模、软硬件验证、快速药物设计和测试以及早期疾病检测和预防。
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