根據(jù)IBM等先驅(qū)者的說(shuō)法，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們可以期待量子計(jì)算機(jī)完成傳統(tǒng)晶體管計(jì)算機(jī)今天所要解決的許多繁重工作。一個(gè)很好的例子是建模復(fù)雜系統(tǒng)或提供訓(xùn)練大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的處理器能力。IBM的量子計(jì)算路線圖的目標(biāo)是到2023年實(shí)現(xiàn)1000量子比特（qubit）機(jī)器。

有一些處理任務(wù)的示例已由專用硬件處理。例如，圖形處理通過(guò)用于圖像處理和顯示渲染的專用芯片加速。然而，研究人員預(yù)計(jì)，與傳統(tǒng)的硬件加速器相比，量子計(jì)算機(jī)的使用方式將大不相同。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，我們可以認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于當(dāng)今帶有硬件加速器的多核處理器，就像現(xiàn)代PC優(yōu)于基于閥門(mén)的計(jì)算機(jī)一樣。

各種類(lèi)型和復(fù)雜程度的傳統(tǒng)電子電路的共同點(diǎn)是它們的物理性質(zhì)。觀察電子并將電子表示的值存儲(chǔ)在物理材料或設(shè)備中相對(duì)容易。在量子世界中，事情并不那么簡(jiǎn)單。

量子世界是一個(gè)有趣的地方，不僅僅是開(kāi)和關(guān)狀態(tài)，疊加、糾纏和退相干等奇異術(shù)語(yǔ)被用來(lái)描述量子水平上發(fā)生的事情。

用過(guò)于簡(jiǎn)單的方式來(lái)說(shuō)，疊加意味著一個(gè)量子比特，可以同時(shí)表示多個(gè)狀態(tài)。這可以比作多級(jí)閃存單元，它使用 4 位表示 0 到 15 之間的任何數(shù)字，同時(shí)表示所有 16 種狀態(tài)。當(dāng)我們談?wù)摷m纏時(shí)，事情變得更加有趣，糾纏是指兩個(gè)“量子”連接的量子比特。這意味著我們的第一個(gè)量子比特在任何給定時(shí)間代表的 16 個(gè)狀態(tài)中的任何一個(gè)都將同時(shí)被第二個(gè)量子比特復(fù)制，即使它在物理上與第一個(gè)量子比特是分開(kāi)的。

量子測(cè)量在現(xiàn)實(shí)世界中變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)需要與任何不必要的外部影響隔離開(kāi)來(lái)，這可能導(dǎo)致量子效應(yīng)停止工作。稱為退相干。這就是量子計(jì)算開(kāi)始變得復(fù)雜的地方。為了使任何計(jì)算機(jī)有用，我們必須能夠觀察計(jì)算結(jié)果，而退相干使這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難。

石墨烯霍爾效應(yīng)傳感器在觀察量子比特中的作用

操縱量子比特以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算是困難的，通常使用微波和/或矢量磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特狀態(tài)的密切控制，以避免退相干等事件，是提供強(qiáng)大、有效的量子計(jì)算的關(guān)鍵。然而，從某種程度上有利的是，如果整個(gè)結(jié)構(gòu)在接近絕對(duì)零度的溫度下操作，則觀察量子比特糾纏而不引起退相干時(shí)的疊加狀態(tài)就不那么困難了。

利用矢量磁鐵來(lái)控制量子比特狀態(tài)意味著磁場(chǎng)和量子計(jì)算有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。矢量磁鐵設(shè)備使用電控制磁場(chǎng)來(lái)操縱量子比特并達(dá)到所需狀態(tài)。這種量子計(jì)算方法仍處于起步階段，并被廣泛研究。在量子水平上工作意味著即使是非常小的干擾也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。例如，地球磁場(chǎng)對(duì)矢量磁鐵控制的量子計(jì)算機(jī)的有效運(yùn)行是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，控制體積（量子位所在的位置）被磁屏蔽以抵消外部場(chǎng)的影響。

因此，要實(shí)現(xiàn)最高性能的量子計(jì)算機(jī)，具有最大的效率和最小的退相干性，需要可以在非常低的溫度下存在和運(yùn)行的磁屏蔽。在低溫下，這種必不可少的近距離性能監(jiān)測(cè)、測(cè)量和控制極具挑戰(zhàn)性，對(duì)于傳統(tǒng)的傳感設(shè)備來(lái)說(shuō)非常困難。

這就是基于Paragraf石墨烯的霍爾效應(yīng)傳感器（GHS）發(fā)揮作用的地方。通過(guò)使用石墨烯作為活性材料，GHS在溫度下以非常高的精度運(yùn)行，一直到絕對(duì)零度。

在低溫下工作時(shí)功耗更低

Paragraf的GHS技術(shù)已經(jīng)證明其能夠在低溫下運(yùn)行，并提供具有高分辨率和靈敏度的準(zhǔn)確，可重復(fù)的測(cè)量。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)獒槍?duì)該應(yīng)用領(lǐng)域的其他霍爾效應(yīng)傳感器的靈敏度要低得多，因此需要更多的功率來(lái)放大其較小的信號(hào)輸出。

增加的功率要求會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量熱量，這在大多數(shù)應(yīng)用中不是問(wèn)題。但是，當(dāng)應(yīng)用要求溫度接近絕對(duì)零度時(shí)，任何多余的熱能都會(huì)成為問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)傳感器需要許多 mA 的功率才能工作，從而產(chǎn)生大量熱量。相比之下，Paragraf的GHS只需要nA的電流，并且消耗pW水平的功率，比其他低溫磁傳感器好六個(gè)數(shù)量級(jí)。

GHS還擁有非凡的射程能力。在室溫下，傳感器可以測(cè)量超過(guò) 9 T 的磁場(chǎng)。更重要的是，靈敏度隨著溫度的降低而增加，從室溫下降到1.8 K增加了一倍以上。

GHS傳感器已經(jīng)在-1 T至9 T的磁場(chǎng)中進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，在低于50 K的各種溫度下，結(jié)果表明在整個(gè)范圍內(nèi)具有非常高的靈敏度，表明該技術(shù)的適用性可以映射和校準(zhǔn)量子計(jì)算應(yīng)用中的磁鐵。重要的是，傳感器的行為是精確、可重復(fù)和穩(wěn)定的，通過(guò)從高（300 K）到低（1.8K）的重復(fù)溫度循環(huán)。

Paragraf 的傳感器返回的測(cè)量分辨率在亞 ppm 范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的性能。

石墨烯繼續(xù)證明自己是一種神奇的材料。在許多方面，我們利用它的方式將與我們未來(lái)使用量子計(jì)算的方式一樣多樣和重要。由于其能夠在低溫下運(yùn)行，具有令人難以置信的性能，這一天可能比預(yù)期的要早。

審核編輯：郭婷