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Quantum Computing硬件的材料挑战和机遇

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科学2021年4月16日:
第372卷,6539期,eabb2823
DOI: 10.1126 / science.abb2823

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打击平台上的噪音

Quantum计算机来解决古典计算机棘手的问题的潜力已经驱动了硬件制造的进步。在实践中,实现量子计算机的主要挑战是一般的,许多粒子量子状态对噪声非常敏感,这不可避免地导致量子算法中的误差。一些噪声源是当前材料平台所固有的。德莱昂等等。审查五个平台用于量子计算机的一些材料挑战,并为其解决方案提出方向。

科学,这个问题p。EABB2823

结构化的抽象

背景

在过去的20年里,人们致力于构建量子计算硬件,以解决传统计算机难以解决的问题。几个量子信息处理(QIP)硬件平台正在积极发展。要实现基于这些技术的大规模系统,我们必须实现比迄今为止在可伸缩平台上演示的更低的错误率,或者设计一个全新的平台。这些活动将需要材料科学和工程的重大进展,新的制造和合成技术,以及新的测量和材料分析技术。我们确定了目前限制五种量子计算硬件平台进展的关键材料挑战,提出了如何解决这些问题,并讨论了一些有待探索的新领域。要解决这些材料的挑战,科学家和工程师必须跨越量子计算领域的当前边界,采取跨学科的方法。

进步

本综述构成了当前挑战的路线图和量子信息处理中材料科学的机会。通过描述导致目前对每个问题的理解的证据,我们对每个物理平台的材料问题进行了全面审查。对于每个平台,我们呈现特定材料选择的原因,调查目前对噪声和耗散源的理解,描述了对缩放的材料限制,并讨论了潜在的新材料平台。尽管每个硬件技术中的物理实施中的重大差异,但有几个共同主题:材料选择是由可用材料中的异质性,杂质和缺陷的驱动。控制不良,表征表面可导致堆积和散射性能施加的噪音和耗散。缩放到较大的系统产生了在单态测量中不明显的新材料问题。

前景

在此背景下,我们确定了三个主要的材料研究前沿。首先,理解导致噪声、损耗和消相干的微观机制是至关重要的。通过发展将量子比特测量与直接材料光谱和表征相关联的高通量方法,将加速这一进程。其次,迄今为止,对固体QIP材料平台的探索相对较少,新平台的发现往往是偶然的。因此,开发直接合理的材料搜索与高通量表征方法相结合的材料发现管道是非常重要的,该方法旨在快速筛选与QIP相关的特性。第三,有几个材料问题并不影响单量子位操作,但在扩展到更大的系统时出现了限制。这些平台面临的许多问题让人想起过去50年互补金属氧化物半导体电子和半导体行业的其他领域已经解决的一些问题,该行业采用的方法和解决方案可能适用于QIP平台。未来几年,随着我们从噪声中等规模的系统向大规模容错系统过渡,材料问题将成为关键问题。量子计算开始时是一个涉及计算机科学、信息科学和量子物理的基本交叉学科;通过与材料科学进行新的合作和伙伴关系来扩展该领域的时机已经成熟。

五个量子计算硬件平台。

左上:IBM超导量子位处理器的光学图像(附图:约瑟夫森结的卡通图);半导体量子点的SEM图像(附图:限制势的卡通图);显示金刚石色心发射的紫外光致发光图像(附图:缺陷的原子模型);表面电极离子阱图片(附图:被限制在表面以上的离子的漫画);一种混合半导体/超导体的假彩色扫描电镜图像[插图:在一个多面体半导体InAs纳米线(橙色)上的外延超导铝壳(蓝色)的卡通]。

IBM映像,cc by-nd 2.0;Sem图像由s. neyens和m. a. eriksson提供;光致发光图像courtesy of n. p. de leon;伪彩色扫描电镜图像由c. marcus, p. krogstrup和d. razmadze提供

抽象的

Quantum Computing硬件技术在过去的二十年中推出了高级,其目标是构建系统,可以解决古典计算机上棘手的问题。实现大规模系统的能力取决于材料科学,材料工程和新的制造技术的主要进步。我们确定了目前限制五种量子计算硬件平台进展的关键材料挑战,提出了如何解决这些问题,并讨论了一些有待探索的新领域。解决这些材料挑战将要求科学家和工程师共同努力,以创造超出量子计算领域当前界限的新的跨学科方法。

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