CMOS兼容量子计算机现在可以从纠错中受益

Diraq

澳大利亚的一个团队最近展示了基于金属氧化物半导体（或基于MOS）的量子计算机的一项关键进展（https://www.nature.com/articles/s41567-024-02614-w）。他们表明，他们的两个量子比特门——涉及多个量子比特或量子比特的逻辑运算——99%的时间都能无差错地执行（https://spectrum.ieee.org/quantum-error-correction）。这个数字很重要，因为它是执行纠错所必需的基线，而纠错被认为是构建大规模量子计算机所必需的。更重要的是，这些基于MOS的量子计算机与现有的CMOS技术兼容，这将使在单个芯片上制造大量量子比特比其他技术更简单。

量子计算公司QuEra的首席运营官Yuval Boger没有参与这项工作，他说：“超过99%是很重要的，因为许多人认为这是纠错阈值，也就是说，如果你的保真度低于99%，你在纠错中做什么并不重要。你永远不会比错误累积的速度更快地修复错误。”

在构建有用的量子计算机的竞赛中，有许多竞争平台。IBM、谷歌和其他公司正在用超导量子比特建造他们的机器。Quantinuum和IonQ使用单个捕获的离子。QuEra和Atom Computing使用带中性电荷的原子。Xanadu和PsiQuantum正在押注光子 ——名单还在继续增加。

在新的结果中，新南威尔士大学（UNSW）和总部位于悉尼的初创公司Diraq与来自日本、德国、加拿大和美国的贡献者合作，采取了另一种方法：在MOS器件中捕获单电子。新南威尔士大学研究员Tuomo Tanttu领导了这项工作，他说：“我们正试图制造尽可能接近传统晶体管的量子比特。”

像晶体管一样工作的量子比特

这些量子比特确实与常规晶体管非常相似，其门控方式使得沟道中只有一个电子。这种方法的最大优点是，它可以使用传统的CMOS技术制造（https://spectrum.ieee.org/cmos-2），理论上可以在单个芯片上扩展到数百万个量子位。Diraq首席执行官Andrew Dzurak表示，另一个优点是MOS量子比特可以与标准晶体管集成在芯片上，以简化输入、输出和控制。

然而，这种方法的缺点是，MOS量子位在历史上一直受到设备间差异的影响，导致量子位上存在明显的噪声。

英特尔量子硬件高级设备工程师Ravi Pillaisety没有参与这项工作，他说：“[MOS]量子比特的灵敏度将高于晶体管，因为在晶体管中，你仍然有20、30、40个电子携带电流。在量子比特设备中，你真的只有一个电子。”

该团队的结果不仅证明了测试设备的两个量子比特门上99%的准确功能，还有助于更好地理解设备间差异的来源。该团队测试了三台设备，每台设备有三个量子比特。除了测量错误率外，他们还进行了全面的研究，以收集导致噪声的潜在物理机制。

研究人员发现，噪声的来源之一是硅层中的同位素杂质，在控制下，大大降低了运行设备所需的电路复杂性。噪声的下一个主要原因是电场的微小变化，这可能是由于器件氧化层的缺陷造成的。Tanttu说，通过从实验室洁净室过渡到铸造环境，这种情况可能会得到改善。

Pillaisety说：“这是一个很好的结果和很大的进步。我认为这一发现设定了正确的方向，减少了对单个设备的思考，或者在单个设备上展示了一些东西，而不是更长期地思考扩展路径。”

现在，挑战将是将这些设备扩展到更多的量子位。缩放的一个困难是所需的输入/输出通道的数量。英特尔的量子团队正在研究类似的技术（https://spectrum.ieee.org/intels-new-path-to-quantum-computing），他们最近推出了一种名为Pando Tree的芯片，试图解决这个问题。Pando Tree将与量子处理器位于同一平面上，从而能够更快地向量子比特输入和输出。英特尔团队希望利用它扩展到数千个量子比特。“我们的很多方法都在思考，如何让我们的量子比特处理器看起来更像现代CPU？”Pillarisety说。

同样，Diraq首席执行官Dzurak表示，他的团队计划通过最近宣布的与Global Foundries的合作，在不久的将来将他们的技术扩展到数千个量子比特。Dzurak说：“我们与Global Foundries合作设计了一种芯片，该芯片将有数千个这样的（MOS量子比特）。这些将通过使用我们设计的经典晶体管电路相互连接。这在量子计算领域是前所未有的。”