量子计算借助先进超导技术实现飞跃

量子计算是一项新兴技术，它利用量子机制规律来解决超出传统计算机能力的复杂问题。 

这些量子计算机将信息存储在量子比特中。与传统比特不同，这些量子比特可以存在于 0 和 1 的二进制状态之外，因此可以更快地执行计算。 

此外， 这些量子比特有不同的形式包括使用带电离子或原子的离子阱量子比特、使用光粒子的光子量子比特以及超导量子比特，超导量子比特是一个有电流围绕其流动的电路环路。

作为“固态”量子计算的一部分，超导量子比特于 1999 年首次被展示。从那时起，它们已经发展成为量子比特技术的主要形式之一，具有降低能量耗散、低电阻、降低退相干、可扩展量子电路、高速量子比特操作、稳定的量子比特状态、高保真量子比特控制和纠错等优点。

在过去的十年中，超导量子计算已经成为构建功能性量子计算机的流行选择，正在进行的研究使我们更接近实现它。

超导材料的最新突破

就在本周，一组研究人员在《科学进展》上发表了一项关于开发用于量子计算的新型超导材料的研究。

这种新的超导材料是“拓扑超导体”的候选材料，拓扑超导体是一种利用空穴或电子的非局域态来携带量子信息和处理数据的材料。

加州大学物理学家彭伟带领的研究小组将三方碲，一种非磁性材料， 不能 叠加 在其镜像上，在金薄膜的表面产生了表面态超导体。

这个组合 创建了二维界面超导体 增强自旋极化，允许激发态潜在地用于创造 一个稳定的自旋量子比特。 这种突破性的超导材料有可能彻底改变量子计算组件的可扩展性和可靠性。 

“通过在手性材料和金之间创建一个非常干净的界面，我们开发出了一种二维界面超导体。界面超导体的独特之处在于它所处的环境中自旋能量比传统超导体高出六倍。”

– 魏，物理学和天文学副教授

在磁场作用下，材料 进一步看到 发生转变，这表明它可用作三重态超导体，从而可以制造出更坚固的量子计算组件。它在高磁场下比在低磁场下更坚固。 

此外，通过使用非磁性材料实现更清洁的界面，这项新技术还自然地抑制了退相干源，这是量子计算的一个挑战。

研究人员还证明了 超导体的能力 制成高品质低损耗微波谐振器，这是量子计算的关键组件。这样一来，就可以实现低损耗超导量子比特。 

鉴于减少量子比特系统中的退相干或量子信息丢失是量子计算中最大的挑战，这项研究有助于开发更具可扩展性和可靠性的量子计算组件。据魏先生说：

“我们使用比量子计算行业通常使用的材料薄一个数量级的材料实现了这一目标。”

这些微波谐振器的品质因数可达1万。

此前一周，加州大学洛杉矶分校领导的研究团队也发表了一项研究成果，提出了有望用于量子计算的新材料。 

这种材料在比通常高得多的磁场下仍保持其超导特性，并表现出超导二极管效应。这种效应允许更多的电流在一个方向上流动，这种效应通常出现在手性超导体中，在传统超导体中很少见。

为了在传统超导体中诱导手性行为，研究人员创建了手性分子层和具有二维材料二硫化钽（TaS2）的层状结构。

这项研究展示了提高量子计算效率和稳定性以及使传统电子设备更快、更节能的潜力。

量子比特控制和可扩展性的创新

由于量子计算机具有“彻底改变世界”的能力，世界各地纷纷竞相打造实用的量子计算机。

然而，阻碍量子计算机发展的最大挑战之一是可扩展性，这意味着足够大的计算机可以解决实际问题。要拥有一台能够解决有用问题的量子计算机，我们要么需要更多的量子比特，要么需要一种可靠的方法来减少计算过程中引入的错误。

因此，日本的研究人员采取增加可管理的量子比特数量和减少所需的量子比特数量来解决这个问题。

几个月前，研究人员成功演示了一种可以在低温下控制许多量子比特的超导电路。

在这个实验中，超导电路 被显示 利用微波复用技术，仅通过一根电缆即可控制多个量子比特。该电路有可能将每根电缆的微波信号密度提高约 1,000 倍。这一成果可以大幅增加可控量子比特的数量，并有助于大规模量子计算机的发展。

为了减少在量子比特和室温电子器件之间所需的硬件，我们开发了一种创新的“低温电子器件”。低温电子器件是在接近量子比特的低温下运行的用于量子比特控制和读出的电子器件。 

低温电子学也已被证明可以在绝对零度以上四度的高速时钟频率下工作。现在，重点是降低能耗，以最大限度地减少量子比特附近产生的热量。 

日本研究人员的另一个重点是寻找纠正处理错误的方法。在此过程中，普林斯顿大学的研究人员开发了一种无错误量子计算的制造技术。

在这项研究中，科学家在拓扑绝缘体二碲化钨 (WTe2) 上创建了一个超导层。该技术使用在绝缘体表面沉积金属（钯）的“种子”来形成一种新的晶体结构 Pd7WTe2，其电阻为零。

原子扩散技术可成功应用于多种成分，包括二碲化钼 (MoTe2)。

虽然还需要进一步的测试来确定它是否是拓扑超导体，但研究人员相信可以通过他们的通用方法创造出新的超导体。

解决退相干问题并提高性能

今年早些时候，研究人员引入了一种新的超导电路方法，这是量子计算领域的另一项突破。这种方法有可能显著延长量子计算机的运行时间。

正如我们所注意到的，这种计算机的连续运行会因为量子比特的量子态很容易不稳定而中断。这被称为退相干，会导致计算错误。这是由于与其他量子比特及其环境的相互作用而发生的。

由于超导量子比特能够在最短时间内实现不同状态之间的切换，因此它们成为越来越多研究的焦点。但是，虽然它们可以缩短切换时间，但它们也更容易在几毫秒的时间内退相干。

因此，一个国际研究小组提出了一种约瑟夫森结设计，被称为“flowermon”。这种设计使用两个单原子厚度的铜氧化物薄片，这是一种基于铜的超导材料。

“flowermon 将使用非常规超导体来保护量子电路的旧理念现代化，并将其与新制造技术和对超导电路相干性的新理解结合起来。”

– 德国马克斯·普朗克固体化学物理研究所物理学家 Uri Vool

根据该团队的计算，他们的设计可以降低噪音，从而将量子比特的相干时间提高几个数量级。然而，这纯粹是理论上的，该团队计划下一步利用其结果来优化超导量子比特。

为了解决量子计算机的性能问题，去年，明尼苏达大学双子城分校的一组研究人员还开发了一种可调超导二极管，它不仅可以帮助扩大量子计算机的规模，还可以改善人工智能系统。 

二极管是一种允许电流单向流动的装置。虽然二极管通常由半导体制成，但研究人员一直在探索用超导体制作二极管，这样可以在传输过程中不损失任何功率。

明尼苏达大学物理学院副教授、资深研究作者 Vlad Pribiag 天文学， 注意：

“我们希望使计算机更加强大，但是我们很快就会遇到现有的材料和制造方法的一些严格限制。” 

提升计算能力的最大挑战是能量耗散，因此团队选择使用超导技术。

超导二极管装置 被建 使用三个约瑟夫森结。虽然超导体是由非超导材料夹在超导体中间制成的，但这里的研究人员将超导体与半导体层连接起来。 

这种独特的设计使研究人员能够使用电压来控制设备的行为。它还可以一次处理多个电信号，而普通二极管则只能处理一个输入和输出。这些特性甚至可以使超导二极管用于受大脑启发的神经形态计算。

在神经形态计算中，电路被设计为复制人类大脑中神经元的工作方式以提高性能。

据该论文的第一作者 Mohit Gupta 介绍，这种新型超导二极管比其他超导二极管更节能。更具体地说，它首次配备了一系列门来控制能量的流动。这一特点以前从未被纳入超导二极管，但这项研究“表明，你可以添加门并施加电场来调整这种效果。” 

此外，本研究中使用的材料更加适合行业，并且能够提供新的功能。

本研究中使用的技术可以进一步 被利用 与任何 超导体，具有高度的灵活性并与工业应用兼容。 这些特性有助于扩大量子计算机的开发，并使其得到更广泛的应用。

“目前，相对于实际应用的需求，现有的所有量子计算机都还处于非常基础的阶段。为了拥有一台足够强大的计算机来解决有用的复杂问题，扩大规模是必要的。”

– 普里比亚格

本篇 在人工智能应用大幅增长的今天，这一举措具有特殊意义。 本篇 促使人们研究能够超越传统计算机性能的计算机或人工智能机器算法。Pribiag 指出，这项研究正在开发硬件，使量子计算机能够实现这些算法。 

该项研究主要由美国能源部资助，并得到美国国家科学基金会和微软研究院的部分支持。

使用二维材料缩小量子比特而不影响性能

持续的研究和开发使科学家们构建出比普通量子比特小得多的超导量子比特。这些超导量子比特是使用二维材料构建的。

为了超越传统计算机的速度和容量，量子计算机的量子比特需要处于同一波长。为了实现这一点，研究人员通常必须牺牲这些量子比特的尺寸，这些量子比特的尺寸在今天仍然是以毫米为单位的，而传统计算机的晶体管已经缩小到纳米级。

为了减小量子比特的尺寸，使它们在保持性能的同时不占用很大的物理空间，哥伦比亚大学机械工程系王方仁教授詹姆斯·霍恩展示了一种非常小的超导量子比特电容器。

此前，工程师们使用平面电容器来构建量子比特芯片。在这里，带电板 被设置 并肩而立， 它们可以堆叠 为了节省空间，这会干扰量子位信息的存储。

因此，霍恩的博士生安贾利·拉金德拉 (Anjaly Rajendra) 和阿比南丹·安东尼 (Abhinandan Antony) 在两块带电的超导二硒化铌板之间夹了一层氮化硼绝缘层。这两层厚度只有一个原子，它们通过范德华力（一种静电力之间的弱相互作用）结合在一起。 

然后将电容器与铝电路组合成一个芯片。该芯片有两个量子比特，厚度只有 35 纳米，比使用传统方法生产的芯片小 1,000 倍。

冷却后，量子比特的波长相同。研究人员还观察到它们纠缠在一起，并作为一个单元运行。这种量子相干性虽然持续时间很短（略大于一微秒），但意味着量子比特的量子态可以通过电脉冲进行操纵和读出。根据霍恩的说法：

“我们现在知道，二维材料可能是实现量子计算机的关键。现在还为时过早，但这些发现将促使世界各地的研究人员考虑二维材料的新应用。我们希望看到更多这方面的研究成果 向前走设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“

二维量子材料因其独特的结构，标志着材料科学的重大突破。与三维材料不同，二维量子材料只有一个或几个原子厚，电子可以向三个方向移动。

一些流行的二维材料包括硅烯、石墨烯、锗烯、锡烯、磷烯、过渡金属二硫属化物 (TMDC) 和六方氮化硼 (h-BN)。

虽然这些材料具有多样化的特性和变革性技术应用的潜力，但它们在合成、集成和可扩展性方面面临着挑战，需要 被克服 before 他们的潜力才能得到充分发挥.

引领量子计算革命的关键公司

现在，让我们来看看一些参与超导体和量子计算的知名公司：

＃1。 字母（谷歌）

字母 投入大量资金 通过其子公司 Google Quantum AI 进行量子计算研究。 该部门创建了一款名为 Sycamore 的超导量子处理器，早在 2019 年， 能够完成 即使使用功能强大的超级计算机，也需要 200 年才能完成的计算只需要 10,000 秒。 从那时起，Sycamore 量子处理器得到了长足的发展， 现在有 70 个量子比特使其强度比之前的型号高出 241 亿倍。

这家科技巨头的市值为 2.06 万亿美元，其股票（GOOGL:纳斯达克) 交易价为 165.68 美元，年初至今上涨 18.56%。2 年第二季度，Alphabet 报告其净收入增长 2024% 至 28.6 亿美元，总收入增长 23.6% 至 14 亿美元。谷歌母公司还宣布每股派发 84.74 美元的现金股息。

＃2。 NVIDIA®（英伟达™）公司

NVIDIA 一直在通过合作伙伴关系探索量子计算和超导体。今年 3 月，该公司宣布利用开源 NVIDIA CUDA-Q™ 平台加速其在德国、日本和波兰国家超级计算站点的量子计算工作。

作为人工智能市场的宠儿，英伟达股票今年表现不俗，161.24 年迄今其涨幅达 2024%。这一上涨使得英伟达股价达到 129.45 美元，使该公司的市值达到 3.188 万亿美元。这家芯片制造商报告称，1 年第一季度创下了历史新高，营收达到 2024 亿美元。

结语

因此，世界各地的研究人员、组织和公司都在致力于推进量子计算，这种技术擅长解决复杂的问题。尤其是对超导技术的关注，有助于推动重大进展，并使我们更接近实现这项变革性技术的全部潜力。 

单击此处了解量子计算的当前状态。