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量子数据中心内部网进步
IBM计划明年将其量子系统从目前的127个量子比特扩展到1121个量子比特，届时它与阿贡国家实验室(Argonne National Labs)的合作将使不同的量子系统以超导速度连接到任意数量的量子比特内联网上。
信贷:IBM
美国、欧盟和日本的研究人员最近取得了一些进展，他们认为这对未来的量子数据中心是必要的，在那里，数百万量子比特将与量子内部网(独立量子计算机之间的私人通信网格)互联。
特别是，今年美国国家实验室资助的研究人员宣布，他们有能力将量子叠加态的相干性保持5秒，“比去年的记录长了500多倍”。阿贡国家实验室首席研究员和高级科学家、美国能源部Q-NEXT下一代量子研究和科学项目主任、芝加哥大学分子工程和物理学刘家教授David Awschalom说。根据Awschalom的说法，在这5秒钟的时间内，多达1亿个量子操作及其中间结果可以通过量子内部网进行通信。
同样在今年，荷兰代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织TNO合作的QuTech的研究人员证明，量子门的保真度超过99.5%——这是修正量子错误所需的基准精度，据QuTech实验室的Lieven Vandersypen说(该成就在日本埼宇理研中心独立确认)。Vandersypen说:“量子比特的高保真控制对于量子算法的可靠执行和实现容错至关重要。”“半导体量子比特已经超过了两量子比特门保真度的99%，在容错的道路上处于良好的位置。”
此外，IBM高级副总裁达里奥·吉尔(Dario Gil)表示，去年年底，IBM发布了127个量子比特的鹰量子计算机，今年晚些时候将发布433个量子比特的鱼鹰模型，明年发布1121个量子比特的秃鹰模型。“Eagle、Osprey和Condor将真正让我们探索未知的计算领域。到2030年，我们预测我们的量子计算机用户每天将运行1万亿个量子电路，每一个量子电路都将解决传统数字计算机无法解决的问题。”
谁说的?
“最近，具有里程碑意义的实验完成了超级计算机实际能力之外的特殊任务，”Rheinisch-Westfälische亚城理工大学和德国Forschungszentrum Jülich研究中心的独立量子专家Hendrik Bluhm说。“然而，这些演示距离实现量子计算机的预期应用所需的数百万量子比特还很远。”
因此，这些最近的突破仍然必须被认为是概念的证明。独立分析师鲍勃·索伦森(Bob Sorensen)表示，这些数据综合在一起表明，未来的量子数据中心正在汇聚在一起。索伦森同时也是专注于高性能计算的Hyperion Research公司的量子计算首席分析师。根据索伦森的说法，量子数据中心将模仿超级计算机数据中心，因为它们将在内部网上聚集数千个，甚至数百万个量子处理器的处理器芯片，共同工作。
索伦森说:“我们一直都知道，在一个过冷单元中容纳完全成熟的量子计算机所需的数百万量子比特是不可能的，但直到现在，将它们连接起来仍然是一个没有解决的问题。”“现在，随着这些长期的一致性，纠错的进步，以及专注的工业伙伴建立必要的内部网，成功的时间可能比我们想象的要短。”
IBM就是其中之一，它开创性地创造了更大的稀释冰箱——这是将越来越大的超导量子处理器内部网冷却到误差最小的米利克文领域的必要条件。IBM的每台量子计算机都使用一个冰箱，下一代量子数据中心将它们与内部网连接，其方式类似于当今世界上最快的超级计算机数据中心通过光纤连接的方式。
“我们知道，未来的容错量子计算机将需要一种类似于今天超级计算机的分布式方法，”IBM量子系统技术高级经理Jerry Chow说，他在纽约约克敦高地T. J. Watson研究中心工作。“只有我们开发出量子互联技术，将处理器连接到量子内部网，这才有可能实现。”
量子内部网
与用于安全的量子密钥分发的量子互联网不同，量子内部网将连接单个量子数据中心(很可能与超级计算机数据中心位于一起)中的数百万个过冷量子处理器。
去年，在遥远的量子网络模块之间展示了一个量子逻辑门，但量子内部网需要的额外复杂水平是，它能够连接任何数量的量子计算机，同时在传输过程中保持每个量子比特的状态叠加。叠加是量子计算机实现其优于经典系统的机制——也就是说，通过同时表示具有相干性的问题的所有可能解决方案。量子处理器操纵这些叠加的量子态，直到退相干进入数字解决方案的最后一步，超级计算机将需要数年时间来计算，通过单独考虑每一个可能的解决方案(而不是同时考虑量子比特)。
最近，阿贡国家实验室(Argonne National Lab)的Q-NEXT展示了在10mlikelvin超导量子计算机之间建立量子内部网所需的组件。在10毫立尔文(-459华氏度)的叠加通信在超导量子计算机中是不可实现的。根据研究人员的说法，通过将温度提高1000倍(10开尔文，或零下442华氏度)，阿贡国家实验室基于碳化硅(SiC)的内联网是可行的。
布卢姆说:“10开尔文的SiC量子通信的错误率现在与10毫厘开尔文的量子比特之间的超导门级逻辑相当。”“这是证明基于固态半导体的量子计算潜力所需的关键一步。值得注意的是，这一演示的性能超过了具有实时量子纠错的大规模量子计算的理论要求。”
据布鲁姆介绍，碳化硅半导体是众所周知的，并已被证明是可靠的。从历史上看，SiC最初是一种工业材料，自1893年开始大规模生产(因其在大范围温度下的物理韧性和稳定性而闻名)。这种坚韧的材料被塑造成各种形状和尺寸，用于高续航能力的应用，如磨料、汽车制动系统和离合器，以及防弹背心内板。它在电子领域的使用也有很长的历史，从早期收音机内部的探测器(大约1907年)到用化学气相沉积(CVD)制造的大口径(10英尺)望远镜反射镜(10英尺)持久的光波接收器。
就像CVD是一种众所周知的方法，它可以制造各种各样的互补金属氧化物半导体(CMOS)， SiC也同样多样化地应用到成千上万的电子应用中(那些过于坚固的CMOS)。SiC可以在高温下工作而不变形(就像硅一样)，也可以在比硅更高的电压下工作而不击穿，从而实现长寿命的发光二极管(led)，其热能可以迅速耗散，加热传感器可以承受高达4000华氏度的温度，核燃料的包层，结门场效应功率晶体管(jfet)，以及许多其他应用。
去年，美国能源部宣布将在五年内拨款6.25亿美元支持Q-NEXT和其他四个量子信息科学(QIS)研究中心(布鲁克海文国家实验室量子优势联合设计中心、费米国家加速器实验室超导量子材料和系统中心、劳伦斯伯克利国家实验室量子系统加速器、以及橡树岭国家实验室的量子科学中心)，在那里SiC和至少10种其他下一代量子材料正在被表征。
“我们希望在这些中心进行的工作对实现量子内部网至关重要，”Chow说。
为什么SiC ?
碳化硅非凡性能的关键在于它的原子晶格，它结合了硅原子和碳原子，形成了超过250种不同的晶格结构，硅和碳的比例都是50/50，但都具有不同的电学/光学性质。SiC通常被掺杂氮、磷、铍、硼、铝或镓，以进一步微调其电子和光学性质。碳化硅晶格还包含离散(两个空位并排)，用于保持其量子位的5秒自旋态的一致性。
研究团队设想的未来架构将使用这种长寿命的放大电子自旋来支持量子计算机之间的大规模传输速率，利用远程纠缠，并在不可破解的密码学期间进行量子密钥分发，最终实现全球量子互联网。Awschalom表示，除了网络，10000倍放大的量子比特已经在实验室中用于提高量子传感器的灵敏度。
当然，碳化硅可以被量子计算机制造商自己采用作为栅极材料，但要想与今天的栅极级开发者生产的超导设备竞争，还需要克服许多障碍。例如，尽管SiC读出量子位的相干时间非常长，但到目前为止，一次读出操作只在80%的情况下有效。开发人员指出，他们现在才开始优化过程，以提高一次读取的成功率，但Awschalom也指出，由于他们立即知道一次读取是否有效，数据传输协议可以立即重复这一过程，这不会比通过以太网重传一个损坏的数据包更糟糕。
克莱姆森大学(Clemson University)物理、电子和计算机工程助理教授卡斯拉·萨达斯蒂(Kasra Sardashti)也称SiC是连接远程量子计算机的“游戏规则改变者”。“这项研究还创造了长寿命的SiC片上存储器。这将改变游戏规则，因为量子态的长距离通信需要稳定的记忆成为我们所谓的量子中继器的一部分。这项工作表明，量子中继器可以用SiC基板构建在芯片上。”
然而，Sardashti并不认为这将对SiC晶圆制造业产生直接影响。“从长远来看，随着量子技术变得更加发达，人们或许可以预期需求会增加。但SiC行业已经相当发达，应该可以在短期内轻松满足这一需求，因为SiC可以与CMOS大规模加工高度兼容。”
r·科林·约翰逊是京都奖获得者，从事科技记者工作20年。
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