世界首个原子级量子集成电路诞生，SQC 宣布其首个量子集成电路

2022 年 6 月 23 日， 澳大利亚量子计算制造商 Silicon Quantum Computing (SQC) 宣布推出世界上第一个以原子级制造的集成电路。集成了经典计算机芯片的所有必要组件，但尺寸要小得多。相关成果论文 6 月 22 日发表在《自然》(Nature)。这种作为模拟量子处理器运行的原子级集成电路的交付距离该团队 2012 年宣布制造了世界上第一个单原子晶体管并提前两年实现了不到十年。

SQC 创始人 Michelle Simmons AO 在一份声明中说，“由于原子之间可能存在大量的相互作用，今天的经典计算机甚至难以模拟相对较小的分子。SQC 的原子级电路技术的发展将使该公司及其客户能够为一系列新材料构建量子模型，无论是药品、电池材料还是催化剂。用不了多久，我们就可以开始实现以前从未出现过的新材料了”。

原子级的电路使用量子点来处理信息，量子点是由硅制成的只有几纳米大小的微小半导体，在如此小的尺寸制造电路需要极高的技术要求。要实现前述原子级的量子集成电路，SQC 需要实现三项原子级技术：第一，制造出尺寸一致的量子点，使其能级一致，电子可以轻易地穿过其中；第二，单独调整每个量子点的能级，也可以集体调整全部量子点的能级，以控制量子信息的传输；第三，在亚纳米的精度上控制量子点之间的距离，使其距离足够近，同时保持独立，以便电子在链上进行量子相干传输。

为了构建处理器，SQC 必须在单个设备中集成多个原子组件，这是它在澳大利亚悉尼的世界级工厂中完成的。“该设备的精密度验证了 SQC 专注于质量而不是数量的技术战略。我们创造了一种极其精确的制造技术，为一个全新的世界打开了大门。这是朝着构建商用量子计算机迈出的一大步，”西蒙斯说。Silicon Quantum Computing 主席 Stephen Menzies 对此表示赞同，并指出了公司在实现技术里程碑方面的悠久历史。“借助量子硬件等关键和新兴技术，利益相关者从技术团队实现既定里程碑的能力中获得了巨大的信心。提前两年达到这样一个里程碑是一种胜利。“SQC 的工程师现在正在扩展技术以解决更多与工业相关的分子，作为一家企业，我们期待发展有针对性的行业合作伙伴关系以满足他们的模拟需求，”Menzies 说。

目前，SQC 团队已经使用原子级量子集成电路，精确地模拟了一个小型有机聚乙炔分子的量子态，这将有助于发现和制造新材料。聚乙炔是一种聚合物材料，其结构包括单双键交替的共轭结构，目前可用于制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等。

突破性的量子处理器满足了扩展量子计算硬件的严格要求。工业和科学部长 Hon Ed Husic MP 评论了今天的分水岭公告：“SQC 在量子计算方面的突破是一个重大新闻，也是对当地技术质量的一个极好的反映。它为支持我们世界级行业的新兴技术提供了一条清晰的途径。”

有关 SQC 原子集成电路的更多信息：

原子级集成电路的里程碑是西蒙斯领导的 20 年研究的结晶。它提供了一个挑战，该挑战最初是由理论物理学先驱理查德费曼教授在他 1959 年著名的讲座“底部有很大空间”中提出的。在本次讲座中，费曼断言，如果你想了解自然是如何运作的，那么你必须能够在构造物质的相同长度尺度上控制物质——也就是说，你必须能够在原子。在费曼首次提出这一基础理论 63 年后，西蒙斯和她的团队已经证明了这一猜想，并使用硅中的原子组件构建了一个集成电路。

为了实现第一个量子集成电路 SQC，需要实现原子工程的三个独立技术壮举。

第一个是创建如此小的尺寸均匀的原子点，以便它们的能级对齐并且电子可以轻松地穿过它们。

第二个是能够单独调整每个点的能级，也可以集体调整所有点的能级，以控制量子信息的通过。

第三是团队能够以亚纳米精度控制点之间的距离，使点足够接近，但对于电子跨链的量子相干传输保持独立。

SQC 现在正在扩展其量子硬件，以承担传统计算机无法执行的繁重计算任务。在制造出用作模拟量子处理器的原子级集成电路后，SQC团队用这种量子处理器精确地模拟了一个小的有机聚乙炔分子的量子态，从而证明了他们的量子系统建模技术的有效性。通过精确控制原子的量子态，新处理器可模拟分子的结构和特性，有望帮助科学家“解锁”未来的全新材料和催化剂。

在论文中，研究人员描述了他们是如何模拟有机化合物聚乙炔的结构和能量状态的。聚乙炔是一种由碳和氢原子组成的重复链，其中碳碳之间单双键交替。研究团队构建了一个由10个量子点链组成的量子集成电路，以模拟聚乙炔链中原子的精确位置，其中有6个金属门控制电子在电路中的流动。

首席研究员、SQC创始人米歇尔·西蒙斯称，选择10个原子的碳链并非偶然，因为它在经典计算机能够计算的大小限制之内，该系统中电子的独立相互作用多达1024个。若增加到20点链，则可能的相互作用的数量呈指数级增加，这将使经典计算机难以求解。

“在20世纪50年代，费曼提出，除非你能以相同的尺度构建物质，否则你无法理解大自然是如何运作的。”西蒙斯说，“这就是我们在做的事情，我们实际上是在自下而上构建它，通过将原子放入硅中来模拟聚乙炔分子，其精确的距离表示碳碳单键和碳碳双键。”

西蒙斯认为，这是一个重大突破。由于原子之间可能存在大量的相互作用，今天的经典计算机难以模拟相对较小的分子。SQC原子级电路技术的开发将使该公司及其客户能够为一系列新材料构建量子模型，无论这些新材料是药品、电池材料还是催化剂。

有关 Silicon Quantum Computing Pty Ltd 的更多信息：

Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) 是一家澳大利亚私营公司，处于全球努力打造商业规模量子计算机并将量子计算推向市场的前沿。

SQC 由澳大利亚联邦、新南威尔士大学悉尼分校、Telstra Corporation、澳大利亚联邦银行和新南威尔士州于 2017 年 5 月成立。它获得了 8300 万澳元的资金，用于收购过去二十年来在量子计算和通信技术卓越中心 (CQC2T) 开发的世界领先的硅量子计算知识产权 (IP) 组合，并开始一项技术开发计划建造一台硅量子计算机。

自 2017 年 5 月以来，SQC 在新南威尔士大学组建了一支由量子科学家、工程师和技术人员、专业设备和全球独特实验室组成的世界级团队，以推进其计划。除了核心处理器技术外，SQC 还在开发“全栈”量子计算机，以确保它能够提供有用且可制造的量子设备。

参考链接：

[1]https://thequantuminsider.com/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-its-first-quantum-integrated-circuit/ [2]http://news.10jqka.com.cn/20220627/c640062246.shtml [3]http://sqc.com.au/2022/06/23/silicon-quantum-computing-announces-worlds-first-quantum-integrated-circuit/