迄今為止速度最快的量子計算，由澳大利亞年度人物米歇爾·西蒙斯教授領導的一組科學家，在2018年完成了矽原子量子位元之間的第一個雙量子位元門，這是該研究團隊建造原子尺度量子計算機的一個重要里程碑，這項關鍵性的研究2019年7月17日發表在世界著名《自然》期刊上。雙量子位門是任何量子計算機的核心組成部分，新南威爾士大學團隊這一版本是矽材料中最快的，在0.8納秒內完成一個操作，比現有基於自旋的雙量子位門快200倍。
在研究團隊的方法中，雙量子位門是兩個電子自旋之間的一種操作——類似於傳統電子學中經典邏輯門所扮演的角色。這是第一次，研究小組能夠通過把兩個原子量子位元放在比以往任何時候都要近的位置來構建一個雙量子位元柵極，然後實時控制地觀察和測量它們的自旋狀態。該團隊獨特的量子計算方法不僅需要在矽中放置單個原子量子位元，還需要所有相關的電路來初始化、控制和讀出納米尺度上的量子位元。這一概念需要如此精確的精度，長期以來人們一直認為這是不可能實現的。
但是有了這個重要的里程碑，研究團隊現在可以將他們的技術轉換成可伸縮的處理器。量子計算與通信技術卓越中心(CQC2T)主任，也是矽量子計算Pty有限公司的創始人西蒙斯教授說：原子量子位元保持著矽中量子位元最長相乾時間的世界紀錄，具有最高的可信度。利用其獨特的製造技術，現已經證明在矽原子量子位元上讀取和初始化單個電子自旋的能力，精確度非常高。還證明了，原子級電路具有迄今為止設計的所有連接到半導體量子位元系統中，電子噪聲是最低的。
以原子精度優化設備設計的各個方面，現在讓能夠構建一個真正快速、高精度的雙量子位門，這是一個可伸縮、基於矽的量子計算機基本構件。在原子尺度上控制是可能的——而且這種方法的好處是革命性的，包括系統運行的驚人速度。新南威爾士大學科學系主任、教授艾瑪·約翰斯頓·奧(Emma Johnston AO)說：這篇關鍵論文進一步顯示了西蒙斯教授的研究是多麽具有開創性。證明了他們可以利用原子量子位元製造出量子計算機，下一個主要目標是建立一個10量子比特的量子集成電路。
與量子位元的接近：精確到十億分之一米的工程
利用掃描隧道顯微鏡精確定位並將磷原子封裝在矽中，研究小組首先必須計算出兩個量子位元之間的最佳距離，以便進行關鍵的操作。該製造技術能把量子位精確地放到想要的地方，這使科學家們能夠盡可能快地設計雙量子位門。自從上次突破以來，不僅把量子位元拉近了，而且學會了以亞納米級的精度控制設備設計的各個方面，以保持高可靠性。實時觀察和控制量子位相互作用，然後，研究小組能夠實時測量量子位元的狀態是如何演變的。
研究人員展示了如何在納米級控制兩個電子之間的相互作用強度。重要的是，能夠使量子位元的電子距離更近或更遠，有效地打開和關閉它們之間的相互作用，這是量子門的先決條件。量子比特的電子受到嚴格限制，這是該方法所獨有的，而且系統固有的低噪音，使科學家們能夠展示出迄今為止矽材料中最快的雙量子比特門。演示的量子門，即所謂的交換門，也非常適合在量子比特之間傳輸量子信息，當與單個量子比特門結合時，你以運行任何量子算法。
物理上不可能的事？現在不是了
西蒙斯教授說：這是20年研究的成果，這是一個巨大的進步：能夠在最小的水準上控制量子，這樣我們就能在兩個原子之間創造相互作用，而且還能在不干擾對方的情況下彼此單獨交談，這令人難以置信，很多人認為這是不可能的。一直以來的想是，如果我們能在這個尺度上控制量子位元世界，它們就會很快，而且確實如此！
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