科學家稱量子技術已達到晶體管時刻

該論文由來自芝加哥大學、斯坦福大學、麻省理工學院、奧地利因斯布魯克大學和荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員撰寫。它研究了量子信息設備的現狀，並強調了構建可擴展量子計算機、通信網絡和傳感器系統所涉及的關鍵機遇和障礙。

“量子技術的這一變革時刻讓人想起晶體管的早期，”主要作者、芝加哥大學分子工程和物理學教授、芝加哥量子交易所和芝加哥量子研究所所長戴維·奧​​沙洛姆 (David Awschalom) 說。 “基本物理概念已經建立，功能係統已經存在，現在我們必須培養合作夥伴關係和協調努力，以在公用事業規模上​​充分發揮該技術的潛力。我們將如何應對測量和標準量子架構的挑戰？”

從實驗室實驗到早期現實世界的使用

在過去的十年裡，量子技術已經從概念驗證實驗發展成為能夠支持通信、傳感和計算領域早期應用的系統。作者將這種快速進步歸功於大學、政府機構和工業界之間的密切合作，正是這種合作夥伴關係幫助微電子技術在 20 世紀走向成熟。

比較當今的量子硬件平台

該研究回顧了六種主要的量子器件平台：超導量子位、捕獲離子、自旋缺陷、半導體量子點、中性原子和光學量子位。為了比較每個平台在計算、模擬、網絡和傳感方面的進展，研究人員使用 ChatGPT 和 Gemini 等大型語言 AI ​​​​模型來估計技術準備水平 (TRL)。

TRL 使用從 1（在實驗室環境中觀察到的基本原理）到 9（在操作環境中得到驗證）的等級來衡量技術的成熟度。較高的 TRL 並不一定意味著該技術已接近廣泛使用，而是表明它已經展示了更完整的系統功能。

該分析提供了該領域當前狀態的快照。雖然一些先進的原型確實可以作為完整的系統運行，並且可以通過公共雲平台訪問，但它們的整體性能仍然有限。許多高影響力的應用，包括大規模量子化學模擬，可能需要數百萬個物理量子位，其錯誤率遠遠超出當前技術所能支持的範圍。

為什麼技術準備需要背景

合著者 William D. 解釋道：麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授、物理學教授兼量子工程中心主任奧利弗表示，在沒有歷史視角的情況下評估準備情況可能會產生誤導。

“儘管 20 世紀 70 年代的半導體芯片當時是 TLR-9 類型，但與當今的先進集成電路相比，它們的功能還不夠，”他說。 “同樣，當今量子技術的高 TRL 值並不表明最終目標已經實現，也不表明科學已經完成，只剩下工程。相反，它反映了重要但相對適度的系統級證據，證明它已經實現 – 仍然需要大幅改進和擴展以實現其全部承諾。”

擴展計算歷史中的挑戰和經驗教訓

在研究的平台中，超導量子位在量子計算中得分最高，中性原子在量子模擬中排名最高，光學量子位在量子網絡中排名最高，自旋缺陷在量子傳感中表現最佳。

作者指出了量子系統要有效擴展必須克服的幾個關鍵障礙。需要材料科學和製造方面的進步來生產能夠可靠且大規模製造的一致、高質量的設備。接線和信號傳輸仍然是主要的工程挑戰，因為大多數平台仍然依賴於每個量子位的單獨控制線。隨著系統向數百萬量子位發展，簡單地添加更多電線變得不切實際。 （計算機工程師在 20 世紀 60 年代面臨著類似的問題，即所謂的數字暴政。）電源管理、溫度控制、自動校準和系統級協調代表著額外的挑戰，這些挑戰將隨著量子系統複雜性的增加而增長。

本文與經典電子學發展的漫長時間線進行了比較。許多變革性突破，包括光刻技術和新型晶體管材料，從研究實驗室轉移到工業生產需要數年甚至數十年的時間。作者認為，量子技術很可能會遵循類似的道路。他們強調需要自上而下的系統設計、避免過早分裂的開放科學合作以及切合實際的期望。

他們寫道：“耐心是許多顯著發展的關鍵，並指出了放寬量子技術時間表預期的重要性。”