用矽基電子元件構建量子計算機是可行的

量子計算機有可能徹底改變我們解決計算問題的方式，從創建先進的人工智慧到模擬化學反應以創造下一代材料或藥物。但實際上構建這樣的機器非常困難，因為它們涉及奇特的組件並且必須保持在高度受控的環境中。到目前為止，我們目前還沒有超越傳統計算機。

現在，英國和法國的研究團隊已經證明，用傳統的矽基電子元件構建量子計算機是可能的。這可能為量子計算機的大規模製造鋪平道路。

量子計算機的理論優勢源於納米尺度或「量子」物理定律。與以二進位位存儲信息的傳統計算機不同，量子計算機使用可以同時組合為「0」和「1」的量子比特。這是因為量子物理學允許粒子同時處於不同的狀態或位置。

量子計算機開發仍處於起步階段，最先進的原型目前由幾十個真空室中的離子或保持在接近絕對零溫度的超導電路製成。

量子計算機的主要的挑戰是將這些小型樣機開發為大型互聯的量子比特系統，這些系統具有足夠的計算能力，可以比傳統的超級計算機更快地執行有用的任務。

用矽製造量子計算機可行性有兩個原因。首先，摩爾定律導致的矽器件的小型化使得我們能夠製造僅幾十個原子寬的電晶體。這是量子物理定律開始應用的尺度。

不過，這基本是物理極限，使矽電晶體的任何進一步小型化越來越困難。但它也促進了矽技術的新用途，即「超越摩爾」（More-than-Moore）。這些研究新方向中最主要的是在每個矽電晶體中編碼量子信息的可能性，然後使用它們來構建大規模量子計算機。

通過使用微晶片行業過去60年所處理的相同技術，我們還可以利用之前數十億美元的基礎設施投資並降低成本。這意味著現代微電子技術可以用來構建日益強大的量子處理器。

劍橋大學，日立研發中心，倫敦大學學院和法國CEA-LETI團隊合作進行了這方面的實驗，並在《自然·電子》上發表研究報告稱，傳統和量子電子學之間的結合確實可行。採用傳統矽電路的工程解決方案，並將其應用於晶片上的不同量子器件的互連。這使量子處理器的實際實現更近了一步。

研究人員開發了一種工作在接近絕對零溫度的電路，並全部採用了商用電晶體。其中一些非常小，可以用作量子比特，而其它的則稍微大一些，可用於連接不同的量子比特。這種架構非常類似於當今筆記本電腦和智慧型手機中用於隨機存取存儲器（RAM）的架構。

隨著量子處理器變得越來越複雜，它們將需要有效的接口來提供控制和讀出信號，同時保持輸入的數量可管理。互補金屬氧化物半導體（CMOS）電子器件為信號路由和動態訪問提供了成熟的解決方案，並且為量子位本身使用CMOS平台提供了在片上集成經典和量子器件的有吸引力的解決方案。

研究人員表示，這是一種CMOS動態隨機訪問架構，用於讀取在毫克溫度下工作的多個量子器件。其電路分為多個單元，每個單元包含控制場效應電晶體和量子點器件，形成在納米線電晶體的溝道中。這種設置允許選擇性讀出量子點和量子點柵極上的電荷存儲，類似於單電晶體單電容（1T-1C）動態隨機存取技術。科學家們通過將它們與單個射頻諧振器連接來演示兩個單元的動態讀出。此方法提供了減少每個量子位輸入線數量的路徑，並允許解決大規模器件陣列。

在過去半個世紀左右的時間裡，普通計算機從裝滿真空管的房間大小發展到今天的手持式微晶片設備。在完全成熟的量子計算機可用之前還有很長的路要走，但歷史可能會重演。目前的研究進展表明，初代量子處理器可能首先採用一些奇特的技術來實現。但是現在我們已經知道矽可以用來有效地連接量子比特，量子的未來可以用矽材料來實現。