材料的进步是量子硬件发展的关键。
一项新的研究概述了制造量子计算机所需的硬件材料的进展，如果这些未来的设备要超过我们现在使用的计算机的能力。
这项由国际团队发表在《科学》杂志上的研究调查了量子计算硬件的研究现状，旨在阐明科学家和工程师面临的挑战和机遇。
传统计算机将信息的比特编码为1和0，而量子计算机通过创造量子比特轻松超越二进制结构，量子比特可以是复杂和连续的量。以这种奇怪的形式存储和操纵信息，最终实现“量子优势”，即量子计算机可以做传统计算机做不到的事情，这需要对底层材料进行复杂的控制。
“在过去的20年里，量子技术的发展呈爆炸式增长，”普林斯顿大学电子和计算机工程助理教授、论文主要作者Nathalie Delean说。“目前，人们正在努力展示量子技术在各种任务中的优势，从计算和模拟到联网和传感。”
德莱恩表示，直到最近，该领域的大部分工作都致力于证明量子设备和处理器的原理，但现在该领域已经准备好迎接现实世界的挑战。
“就像过去一个世纪经典计算硬件已经成为材料科学和工程的一个巨大领域一样，我认为现在量子技术是一种成熟的新方法，材料科学家、化学家、设备工程师和其他科学家和工程师可以高效地把专业问题。”
该论文的通讯记者、IBM quantum的研究员韩熙·派克说，该论文呼吁研究材料的科学家转向开发量子计算硬件的挑战。
Paik说:“近年来，量子计算技术的研究和产业进展正在加速。”“为了在未来十年向前发展，我们将需要量子计算硬件的材料和制造技术的进步——类似于经典计算在微处理器扩展方面的进步。突破不可能一蹴而就。我们希望更多材料领域的人开始研究量子计算技术。我们的论文是对材料工业作一个全面的概述。在量子计算材料的开发中，我们有来自这一领域的专家意见。”
量子计算机的核心是量子比特，它们共同作用产生大量的结果。
这些量子比特可以通过超导量子比特的领先技术以不同的方式制成，可以捕获离子和光；硅材料制成的量子位可以在今天的计算机中找到；量子位“色心”可以捕获高纯度的钻石；量子位可以在奇异的亚原子粒子中得到拓扑保护。本文分析了这些材料面临的主要技术挑战，并提出了解决这些问题的策略。
研究人员希望这些平台中的一个或多个最终能够发展到量子计算可以解决今天的机器无法解决的问题的阶段，例如模拟分子的行为和提供安全的电子加密。
“我认为(这篇论文)是第一次整合这种全面的图景。我们优先考虑‘展示我们的工作’，并解释每个硬件平台被接受的智慧背后的原因，”德莱昂说。“我们希望这种方法将使这一领域的新参与者能够找到做出重大贡献的方法。”
这十位共同作者来自世界各地的研究机构和IBM T. J. Watson研究中心，该中心有一个主要的量子计算研究小组。这些科学家是在2019年材料研究协会秋季会议，以及IBM quantum和卡弗里基金会主办的量子计算材料研讨会上认识的。然后，去年疫情期间，他们在家里花了很多时间学习这篇复习论文。
“与一个拥有如此多专业知识的团队合作是一种很棒的体验。我们的许多活动都涉及向对方提出尖锐的问题，即我们为什么相信我们对各自材料平台所做的事情，”德莱昂说，他的研究利用了钻石材料的缺陷，使未来量子互联网中节点之间的通信成为可能。
更多信息:Nathalie P. De Leon等，量子计算硬件的材料挑战和机遇，科学(2021)。DOI:10.1126/science . abb 2823。
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