根據IBM等先驅者的說法，在不遠的將來，我們可以期待量子計算機完成傳統晶體管計算機今天所要解決的許多繁重工作。一個很好的例子是建模復雜系統或提供訓練大型神經網絡所需的處理器能力。IBM的量子計算路線圖的目標是到2023年實現1000量子比特（qubit）機器。

有一些處理任務的示例已由專用硬件處理。例如，圖形處理通過用于圖像處理和顯示渲染的專用芯片加速。然而，研究人員預計，與傳統的硬件加速器相比，量子計算機的使用方式將大不相同。通過一個簡單的比較，我們可以認為量子計算機優于當今帶有硬件加速器的多核處理器，就像現代PC優于基于閥門的計算機一樣。

各種類型和復雜程度的傳統電子電路的共同點是它們的物理性質。觀察電子并將電子表示的值存儲在物理材料或設備中相對容易。在量子世界中，事情并不那么簡單。

量子世界是一個有趣的地方，不僅僅是開和關狀態，疊加、糾纏和退相干等奇異術語被用來描述量子水平上發生的事情。

用過于簡單的方式來說，疊加意味著一個量子比特，可以同時表示多個狀態。這可以比作多級閃存單元，它使用 4 位表示 0 到 15 之間的任何數字，同時表示所有 16 種狀態。當我們談論糾纏時，事情變得更加有趣，糾纏是指兩個“量子”連接的量子比特。這意味著我們的第一個量子比特在任何給定時間代表的 16 個狀態中的任何一個都將同時被第二個量子比特復制，即使它在物理上與第一個量子比特是分開的。

量子測量在現實世界中變得更具挑戰性，因為量子系統需要與任何不必要的外部影響隔離開來，這可能導致量子效應停止工作。稱為退相干。這就是量子計算開始變得復雜的地方。為了使任何計算機有用，我們必須能夠觀察計算結果，而退相干使這項任務變得更加困難。

石墨烯霍爾效應傳感器在觀察量子比特中的作用

操縱量子比特以實現量子計算是困難的，通常使用微波和/或矢量磁鐵來實現。實現對量子比特狀態的密切控制，以避免退相干等事件，是提供強大、有效的量子計算的關鍵。然而，從某種程度上有利的是，如果整個結構在接近絕對零度的溫度下操作，則觀察量子比特糾纏而不引起退相干時的疊加狀態就不那么困難了。

利用矢量磁鐵來控制量子比特狀態意味著磁場和量子計算有著千絲萬縷的聯系。矢量磁鐵設備使用電控制磁場來操縱量子比特并達到所需狀態。這種量子計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對系統產生重大影響。例如，地球磁場對矢量磁鐵控制的量子計算機的有效運行是一個相當大的挑戰。為了解決這個問題，控制體積（量子位所在的位置）被磁屏蔽以抵消外部場的影響。

因此，要實現最高性能的量子計算機，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行的磁屏蔽。在低溫下，這種必不可少的近距離性能監測、測量和控制極具挑戰性，對于傳統的傳感設備來說非常困難。

這就是基于Paragraf石墨烯的霍爾效應傳感器（GHS）發揮作用的地方。通過使用石墨烯作為活性材料，GHS在溫度下以非常高的精度運行，一直到絕對零度。

在低溫下工作時功耗更低

Paragraf的GHS技術已經證明其能夠在低溫下運行，并提供具有高分辨率和靈敏度的準確，可重復的測量。這一點至關重要，因為針對該應用領域的其他霍爾效應傳感器的靈敏度要低得多，因此需要更多的功率來放大其較小的信號輸出。

增加的功率要求會導致產生大量熱量，這在大多數應用中不是問題。但是，當應用要求溫度接近絕對零度時，任何多余的熱能都會成為問題。標準霍爾效應傳感器需要許多 mA 的功率才能工作，從而產生大量熱量。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數量級。

GHS還擁有非凡的射程能力。在室溫下，傳感器可以測量超過 9 T 的磁場。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傳感器已經在-1 T至9 T的磁場中進行了廣泛的測試，在低于50 K的各種溫度下，結果表明在整個范圍內具有非常高的靈敏度，表明該技術的適用性可以映射和校準量子計算應用中的磁鐵。重要的是，傳感器的行為是精確、可重復和穩定的，通過從高（300 K）到低（1.8K）的重復溫度循環。

Paragraf 的傳感器返回的測量分辨率在亞 ppm 范圍內，遠遠超過傳統霍爾效應傳感器的性能。

石墨烯繼續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使用量子計算的方式一樣多樣和重要。由于其能夠在低溫下運行，具有令人難以置信的性能，這一天可能比預期的要早。

審核編輯：郭婷