为什么石墨烯在低温下的特性使量子计算越来越可行

根据IBM等先驱者的说法，在不远的将来，我们可以期待量子计算机完成传统晶体管计算机今天所要解决的许多繁重工作。一个很好的例子是建模复杂系统或提供训练大型神经网络所需的处理器能力。IBM的量子计算路线图的目标是到2023年实现1000量子比特（qubit）机器。

有一些处理任务的示例已由专用硬件处理。例如，图形处理通过用于图像处理和显示渲染的专用芯片加速。然而，研究人员预计，与传统的硬件加速器相比，量子计算机的使用方式将大不相同。通过一个简单的比较，我们可以认为量子计算机优于当今带有硬件加速器的多核处理器，就像现代PC优于基于阀门的计算机一样。

各种类型和复杂程度的传统电子电路的共同点是它们的物理性质。观察电子并将电子表示的值存储在物理材料或设备中相对容易。在量子世界中，事情并不那么简单。

量子世界是一个有趣的地方，不仅仅是开和关状态，叠加、纠缠和退相干等奇异术语被用来描述量子水平上发生的事情。

用过于简单的方式来说，叠加意味着一个量子比特，可以同时表示多个状态。这可以比作多级闪存单元，它使用 4 位表示 0 到 15 之间的任何数字，同时表示所有 16 种状态。当我们谈论纠缠时，事情变得更加有趣，纠缠是指两个“量子”连接的量子比特。这意味着我们的第一个量子比特在任何给定时间代表的 16 个状态中的任何一个都将同时被第二个量子比特复制，即使它在物理上与第一个量子比特是分开的。

量子测量在现实世界中变得更具挑战性，因为量子系统需要与任何不必要的外部影响隔离开来，这可能导致量子效应停止工作。称为退相干。这就是量子计算开始变得复杂的地方。为了使任何计算机有用，我们必须能够观察计算结果，而退相干使这项任务变得更加困难。

石墨烯霍尔效应传感器在观察量子比特中的作用

操纵量子比特以实现量子计算是困难的，通常使用微波和/或矢量磁铁来实现。实现对量子比特状态的密切控制，以避免退相干等事件，是提供强大、有效的量子计算的关键。然而，从某种程度上有利的是，如果整个结构在接近绝对零度的温度下操作，则观察量子比特纠缠而不引起退相干时的叠加状态就不那么困难了。

利用矢量磁铁来控制量子比特状态意味着磁场和量子计算有着千丝万缕的联系。矢量磁铁设备使用电控制磁场来操纵量子比特并达到所需状态。这种量子计算方法仍处于起步阶段，并被广泛研究。在量子水平上工作意味着即使是非常小的干扰也会对系统产生重大影响。例如，地球磁场对矢量磁铁控制的量子计算机的有效运行是一个相当大的挑战。为了解决这个问题，控制体积（量子位所在的位置）被磁屏蔽以抵消外部场的影响。

因此，要实现最高性能的量子计算机，具有最大的效率和最小的退相干性，需要可以在非常低的温度下存在和运行的磁屏蔽。在低温下，这种必不可少的近距离性能监测、测量和控制极具挑战性，对于传统的传感设备来说非常困难。

这就是基于Paragraf石墨烯的霍尔效应传感器（GHS）发挥作用的地方。通过使用石墨烯作为活性材料，GHS在温度下以非常高的精度运行，一直到绝对零度。

在低温下工作时功耗更低

Paragraf的GHS技术已经证明其能够在低温下运行，并提供具有高分辨率和灵敏度的准确，可重复的测量。这一点至关重要，因为针对该应用领域的其他霍尔效应传感器的灵敏度要低得多，因此需要更多的功率来放大其较小的信号输出。

增加的功率要求会导致产生大量热量，这在大多数应用中不是问题。但是，当应用要求温度接近绝对零度时，任何多余的热能都会成为问题。标准霍尔效应传感器需要许多 mA 的功率才能工作，从而产生大量热量。相比之下，Paragraf的GHS只需要nA的电流，并且消耗pW水平的功率，比其他低温磁传感器好六个数量级。

GHS还拥有非凡的射程能力。在室温下，传感器可以测量超过 9 T 的磁场。更重要的是，灵敏度随着温度的降低而增加，从室温下降到1.8 K增加了一倍以上。

GHS传感器已经在-1 T至9 T的磁场中进行了广泛的测试，在低于50 K的各种温度下，结果表明在整个范围内具有非常高的灵敏度，表明该技术的适用性可以映射和校准量子计算应用中的磁铁。重要的是，传感器的行为是精确、可重复和稳定的，通过从高（300 K）到低（1.8K）的重复温度循环。

Paragraf 的传感器返回的测量分辨率在亚 ppm 范围内，远远超过传统霍尔效应传感器的性能。

石墨烯继续证明自己是一种神奇的材料。在许多方面，我们利用它的方式将与我们未来使用量子计算的方式一样多样和重要。由于其能够在低温下运行，具有令人难以置信的性能，这一天可能比预期的要早。

审核编辑：郭婷