Andrea Morello 是新南威尔士大学量子工程科学教授，是 ARC 量子计算和通信技术卓越中心的项目经理，也是 2024 年澳大利亚研究委员会 （ARC） 桂冠研究员。他认为量子计算正处于岔路口。
下面是Andrea Morello教授深入浅出的指导
要构建量子计算机，仍然需要以二进制形式对信息进行编码—— 一个 0 和一个 1，就像使用标准经典计算机一样。例如，您的手机有一个芯片，其中包含数十亿个微小的硅晶体管——晶体管就像一个电子开关，要么打开，要么关闭。通过向开关施加电压，您可以得到 0 或 1。
对于量子计算机，您需要首先确定使用 0 和 1 编码的物理对象，但在这种情况下，您希望它们是量子系统，其中 0 和 1 由对象的量子态表示。找到这种量子态的最自然的地方是在纳米尺度的原子领域。
有很多方法可以做到这一点。例如，你可以用单个电子来做到这一点。你可以制作一个非常小的晶体管，它只容纳一个电子，并将其保持在两个可能的位置——左边编码一个 0，右边编码一个 1。
另一种方法是使用电子或原子核的自旋。什么是旋转？
正如每个基本粒子都有电荷（电子为负，质子为正），每个电子、每个质子，甚至每个中子，都带有轻微磁性。它产生一个磁偶极子，一个磁场，就像原子尺度上的指南针一样。你的 0 和 1 可以是自旋，这取决于磁偶极子是指向北方还是南方。
现在你可能会想，当我们有非常精细的物体——晶体管——以廉价的方式完成相同的工作时，用亚原子粒子制造 0 和 1 的努力有什么意义呢？关键是量子比特并不局限于 0 或 1：它们可以同时是两者。如果我取两个量子比特，我可以把它们放在一个既不是 0 也不是 1 的状态，但它们彼此相反。它们唯一的存在特征是它们的相互关联。这称为纠缠状态，就像有一个额外的数字代码可用于对计算机进行编程。我可以创建的纠缠状态数量随着可用量子比特的数量呈指数级增长。这可以使量子计算机以比经典计算机快指数级的速度解决某些问题。
现在你已经决定建造一台量子计算机，其中信息在一些基本粒子的自旋中编码，你如何操作它？你怎么把它固定到位？您如何在上面读取和写入量子信息？
同样，有很多方法可以做到这一点，但在澳大利亚这里决定的方法是在硅中做到这一点，使用与传统计算机中使用的相同类型的纳米电子设备。
为什么这样做呢？这是因为硅微电子学是人类有史以来最不可思议的东西。投入其中的工作量和聪明才智比登月更令人印象深刻。与您现在可能手中的硅芯片中的科学和技术相比，一切都相形见绌。
在过去的 60 年里，已经开发了一个价值万亿美元的产业，可以构建一个包含数十亿个设备的芯片，每个设备大约有 100 个原子，所有设备都完美可靠地工作。他们以几美元的价格卖给你。
下一次量子计算机革命
如果我们也能回收利用这项神奇的技术来制造量子计算机，那不是很好吗？
这就是 Bob Clark 和 Andrew Dzurak 在 1990 年代在澳大利亚工作背后的想法。这些人在半导体微电子学方面具有广泛的专业知识。他们有关于如何捕获单个电子以及如何将量子信息保存在硅芯片内的想法，但还没有奏效。
这就是我在自旋物理学和微波工程方面的专业知识发挥作用的地方。您需要将发送射频信号来控制自旋与检测自旋所需的超低温物理学相结合。
我于 2006 年来到澳大利亚，我的团队与 Andrew Dzurak 一起帮助它首次运作。我们与 David Jamieson 团队合作，通过在硅芯片内植入一个磷原子来实现这一点。这并不是一个疯狂的想法——磷原子一直被用来改变硅的物理行为。在经典晶体管中，有许多磷原子，以高浓度植入一个小印迹中。这里的目标是只拿下其中一个。每个原子都承载着一个核自旋（一个量子比特）和一个电子自旋（另一个量子比特）。所以一个原子承载两个量子比特。这是非常方便的高密度量子信息。
我们于 2010 年在《自然》杂志上发表的突破性论文是量子计算机技术首次在硅模型上得到演示。我们在芯片中有一个磷原子，我们能够实时地逐个观察自旋的方向——与该原子结合的单个电子的北向或南向。
这打开了新世界。
高效的量子计算机
从那时起，我们一直在忙于提出新的想法，如何使这些操作非常高效，但现在我们正处于一个岔路口。这是因为构建可以解决有用问题的实际量子计算机超出了学术研究的范畴——开发成本将达到数十亿美元。
我是大学的教授。我教书，我指导学生，我做基础研究。我的工作是提出好的想法并证明它们有效，如果它们有用，它们就会被工业界接受，并成为他们工程和制造发展的基础。
我在世界一流的研究设施中工作，与制造商业芯片的价值 100 亿美元的硅铸造厂相比，这些设施看起来几乎是工匠。重要的是，我从事基础研究——好奇心驱动的研究——但我在与最复杂的工业制造兼容的物理平台上进行研究，这样就可以尽可能快速、轻松地过渡到有用的产品。
