创新背景

在此之前，量子计算机工程师和科学家一直在用量子处理器的概念验证模型进行工作，通过演示仅控制少数量子位。控制电子自旋量子位依赖于我们通过在量子位旁边的电线上输入电流来传递微波磁场。

如果想要将量子计算机所需的数百万个量子比特扩大到解决全球重大问题(如新疫苗的设计)，这就带来了一些真正的挑战。首先，磁场随着距离的增加衰减得非常快，所以科学家只能控制那些离电线最近的量子位。这意味着当引入越来越多的量子比特时，就需要添加越来越多的线，这将占用芯片上的大量空间。

其次，由于芯片必须在零下270°C以下的极冷温度下工作，引入更多的电线会在芯片中产生过多的热量，干扰量子位的可靠性。

创新过程

这个问题的解决方案涉及到对硅芯片结构的彻底改造。

与其在一个拇指指甲盖大小的硅芯片上安装数千根控制线，还需要包含数百万个量子位，该团队还不如研究从芯片上方产生磁场的可行性，这种磁场可以同时操纵所有的量子位。

首先，研究人员去掉了量子比特旁边的电线，然后想出了一种新颖的方法，在整个系统中传输微波频率的磁场。因此，原则上可以向多达四百万量子位传送控制场。

Pla博士和他的团队在硅芯片的正上方引入了一种新的元件——一种叫做原型谐振器的晶体棱镜。当微波直接进入谐振器时，它将微波的波长聚焦到一个小得多的尺寸。

其次，原型谐振器将波长缩小到1毫米以下，所以我们现在可以非常有效地将微波功率转换为控制所有量子位元自旋的磁场。

尽管Pla博士和他的团队已经开发出了谐振器技术的原型，但他们没有硅量子比特来进行测试。因此，他与新南威尔士大学的工程学同事、科学教授安德鲁·祖拉克(Andrew Dzurak)进行了交谈。过去10年里，他的团队使用传统计算机芯片所用的硅制造技术，演示了第一个也是最精确的量子逻辑。

创新关键点

首先，研究人员不需要投入大量的能量来为量子比特提供强大的驱动场，这就意味着不会产生太多的热量。第二，整个芯片的场是非常统一的，因此数百万个量子比特都经历相同水平的控制。

创新价值

移除片上控制线可以为额外的量子比特和构建量子处理器所需的所有其他电子设备腾出空间。它使下一步生产数十个量子比特的设备的任务变得简单得多。

气候变化、药物和疫苗设计、代码解密和人工智能都有望从量子计算技术中受益。

Development of prototype resonator technology for control of spin qubits

The solution to this problem involves an overhaul of the structure of silicon chips.

Rather than fitting thousands of control wires onto a silicon chip the size of a thumbnail and containing millions of qubits, the team investigated the feasibility of generating a magnetic field from above the chip that could manipulate all the qubits at once.

First, the researchers removed the wires next to the qubits, and then came up with a novel way to transmit microwave-frequency magnetic fields throughout the system. As a result, control fields can in principle be transmitted to up to four million qubits.

Dr Pla and his team have introduced a new element, a crystal prism called a prototype resonator, directly above the silicon chip. When the microwave enters the resonator directly, it focuses the wavelength of the microwave to a much smaller size.

The prototype resonator Narrows the wavelength down to less than 1 mm, so we can now very efficiently convert microwave power into a magnetic field that controls the spin of all qubits.

Although Dr Pla and his team have developed a prototype of the resonator technology, they do not have silicon qubits to test it on. So he spoke to his engineering colleague and science professor Andrew Dzurak at the University of New South Wales. Over the past decade, his team has demonstrated the first and most accurate quantum logic using silicon manufacturing techniques used in traditional computer chips.