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量子计算硬件的材料挑战与机遇

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科学2021年4月16日:
卷。372,问题6539,EABB2823
DOI:10.1126 / science.abb2823

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在平台上对抗噪音

量子计算机解决传统计算机难以解决的问题的潜力推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,一般的多粒子量子态对噪声高度敏感,这不可避免地会导致量子算法的错误。一些噪声源是现有材料平台固有的。德莱昂et al。回顾量子计算机的五个平台所面临的材料挑战,并提出解决方案的方向。

科学,这个问题。eabb2823

结构化的抽象

背景

过去二十年来,旨在建立量子计算硬件的激烈努力,潜力解决古典计算机上棘手的问题。用于量子信息处理(QIP)的几个硬件平台都在主动开发。为了实现基于这些技术的大规模系统,我们必须实现比到目前为止在可扩展平台上展示的错误率,或完全设计新平台。这些活动将需要材料科学和工程,新的制造和合成技术的主要进步,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。解决这些材料的挑战将需要从科学家和工程师超出量子计算领域的当前界限的跨学科方法。

进步

本综述为当前材料科学在量子信息处理中的挑战和机遇提供了一个路线图。通过描述导致当前对每个问题理解的证据,我们对每个物理平台的材料问题进行了全面的回顾。对于每个平台,我们提出了特定材料选择的理由,调查了目前对噪声和耗散源的理解,描述了缩放材料的局限性,并讨论了潜在的新材料平台。尽管每种硬件技术的物理实现之间存在主要差异,但有几个共同的主题:材料的选择是由可用材料中的异构性、杂质和缺陷驱动的。粗糙的表面控制和特征导致噪声和耗散超出体积特性的限制。扩展到更大的系统会产生新的材料问题,这些问题在单量子位测量中并不明显。

外表

我们在这方面确定了三个主要的材料研究前沿。首先,了解导致噪声,损失和脱干的显微镜机制至关重要。通过开发用于将量子位测量与直接材料光谱和表征相关的高通量方法来加速这一点。其次,到目前为止,已经探讨了固态QIP的相对较少的材料平台,并且对新平台的发现通常是偶然的。因此,重要的是开发利用导向的材料发现管道,并以音乐会在音乐会中搜索的是,以高吞吐量表征方法,以快速筛选与QIP相关的性质。第三,存在几个物质问题不影响单QUBBit操作,但在缩放到更大的系统时显示为限制。这些平台面临的许多问题都让人想起过去五十年来解决的一些用于互补金属 - 氧化物半导体电子和其他地区的半导体工业领域,并且该行业采用的方法和解决方案可能适用于QIP平台。由于我们从嘈杂的中间规模系统转换为大规模,容错系统,材料问题将是至关重要的。量子计算开始作为涉及计算机科学,信息科学和量子物理学的基本跨学科努力;当时通过包括与材料科学的新合作和合作伙伴关系,即扩展该领域的时间已经成熟。

5个量子计算硬件平台。

从左上角:IBM超导Qubit处理器的光学图像(Inset:Josephson Junction的卡通);门定义半导体量子点的SEM图像(插图:描绘限制潜力的卡通);紫外线光致发光图像显示钻石中的颜色中心排放(Inset:缺陷原子模型);表面电极离子陷阱的图片(插图:在表面上限内的离子卡通);混合半导体/超导体的假色SEM图像[插图:外延超导Al壳(蓝色)在刻面半导体纳米线(橙色)]。

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

摘要

量子计算硬件技术在过去20年里取得了进步,其目标是建立能够解决传统计算机难以解决的问题的系统。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重大进展。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。解决这些材料的挑战需要科学家和工程师共同努力,创造新的跨学科方法,超越量子计算领域的当前边界。

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