疫苗和药物开发、人工智能、运输和物流、气候科学——这些领域都将通过全尺寸量子计算机的发展而改变。并且在过去十年中，量子计算投资出现了爆炸性增长。

然而，当前的量子处理器规模相对较小，不到 100 个量子位——量子计算机的基本构建块。比特是计算中最小的信息单位，术语量子比特源于“量子比特”。

虽然早期的量子处理器对于展示量子计算的潜力至关重要，但实现全球重要的应用可能需要具有超过 100 万个量子位的处理器。

我们的新研究解决了扩展量子计算机的核心问题：我们如何从控制几个量子位到控制数百万个？在今天发表在Science Advances 上的研究中，我们揭示了一种可能提供解决方案的新技术。

什么是量子计算机？

量子计算机使用量子位来保存和处理量子信息。与经典计算机中的信息位不同，量子位利用自然界的量子特性（称为“叠加”和“纠缠”）比经典计算机更快地执行某些计算。

与用 0 或 1 表示的经典位不同，一个量子位可以同时存在两种状态（即 0 和 1）。这就是我们所说的叠加态。

谷歌和其他公司的演示表明，即使是当前的早期量子计算机在高度专业化（尽管不是特别有用）的任务上也能胜过地球上最强大的超级计算机——达到我们称为量子霸权的里程碑。

谷歌的量子计算机由超导电路构成，只有 53 个量子位，在高科技冰箱中冷却到接近 -273℃的温度。需要这种极端温度来消除热量，这可能会给脆弱的量子位带来错误。虽然此类演示很重要，但现在的挑战是构建具有更多量子位的量子处理器。

悉尼新南威尔士大学正在努力使用与日常计算机芯片相同的材料制造量子计算机：硅。传统的硅芯片只有缩略图大小，可容纳数十亿位，因此使用该技术构建量子计算机的前景非常诱人。

控制问题

在硅量子处理器中，信息存储在单个电子中，这些电子被困在芯片表面的小电极下。具体来说，量子位被编码为电子的自旋。它可以被描绘成电子内部的一个小指南针。指南针的指针可以指向北或南，分别代表0和1状态。

要将量子位设置为叠加状态（0和1），这是所有量子计算中都会发生的操作，必须将控制信号定向到所需的量子位。对于硅中的量子位，这种控制信号采用微波场的形式，很像用于通过 5G 网络进行电话通话的信号。微波与电子相互作用并导致其自旋（罗盘指针）旋转。

目前，每个量子位都需要自己的微波控制场。它通过从室温到接近 -273 摄氏度的冰箱底部的电缆传送到量子芯片。每根电缆都会带来热量，必须在到达量子处理器之前将其移除。

大约 50 个量子比特，这是当今最先进的，这很困难但可以管理。当前的冰箱技术可以应对电缆热负荷。然而，如果我们要使用具有一百万或更多量子比特的系统，这将是一个巨大的障碍。

解决方案是“全局”控制

1990 年代后期提出了一种优雅的解决方案，以应对如何向数百万自旋量子位传递控制信号的挑战。“全局控制”的想法很简单：在整个量子处理器上广播单个微波控制场。

电压脉冲可以局部施加到量子位电极，使单个量子位与全局场相互作用（并产生叠加态）。

在芯片上生成这样的电压脉冲比生成多个微波场要容易得多。该解决方案只需要一根控制电缆，并去除了显眼的片上微波控制电路。

二十多年来，量子计算机的全局控制仍然是一个想法。研究人员无法设计出一种合适的技术，可以与量子芯片集成并以适当的低功率产生微波场。

在我们的工作中，我们展示了一种称为介电谐振器的组件最终可以实现这一点。介电谐振器是一种小型透明晶体，可在短时间内捕获微波。

微波的俘获，一种称为共振的现象，使它们与自旋量子位相互作用的时间更长，并大大降低了产生控制场所需的微波功率。这对于在冰箱内运行该技术至关重要。

在我们的实验中，我们使用介电谐振器在可包含多达 400 万个量子位的区域上生成控制场。本演示中使用的量子芯片是具有两个量子位的设备。我们能够展示晶体产生的微波可以翻转每一个的自旋状态。

通往全尺寸量子计算机的道路

在这项技术完成控制一百万个量子位的任务之前，还有很多工作要做。在我们的研究中，我们设法翻转了量子位的状态，但尚未产生任意叠加状态。

正在进行实验以证明这种关键能力。我们还需要进一步研究介电谐振器对量子处理器其他方面的影响。

也就是说，我们相信这些工程挑战最终是可以克服的——清除实现大规模自旋量子计算机的最大障碍之一。