硅基量子計算機即將成為可能。
近日，《自然》(Nature)在封面連刊三篇論文，3個不同團隊的研究人員驗證了硅雙量子位門保真度，均達到99%以上，超越了量子計算的容錯閾值。研究結果證實，硅材料中強大、可靠的量子計算正在成為現(xiàn)實，有助于建造與當前半導體技術兼容的硅基量子器件。
《自然》(Nature)封面，圖片來自Nature
使用核自旋的硅基量子計算
核自旋是最早被考慮用于量子信息處理的物理平臺之一，因為它們具有卓越的量子相干性和原子尺度的軌跡。但因缺乏將核量子位連接到可拓展的量子器件，并保持足夠的保真度來維持容錯量子計算的方法，核自旋在量子計算方面的潛力尚待發(fā)掘。
澳大利亞新南威爾士大學研究團隊在磷供體形成的兩個核自旋之間創(chuàng)建了雙量子位通用量子邏輯運算，通過行業(yè)標準的離子注入方法,將其引入硅納米電子器件中。他們使用一種稱為“量子門集層析成像（GST）”的方法，對其量子處理器的性能進行了驗證，實現(xiàn)了高達99.95%的單量子位門保真度、99.37%的雙量子位門保真度和98.95%的雙量子位準備/測量保真度。三項數(shù)據(jù)表明，硅中的核自旋接近容錯量子計算機所要求的性能。
研究人員證明了通用量子運算的可實現(xiàn)性，這意味著構成量子運算的所有基本運算，包括單量子位運算和雙量子位運算，均可在高于容錯閾值的保真度下執(zhí)行。
此外，據(jù)研究結果，電子自旋本身就是一個量子位，可與兩個原子核糾纏，形成一個三量子位的量子糾纏態(tài)，保真度達到92.5%。這為實現(xiàn)使用電子自旋與核自旋的硅基量子計算機提供了可行方法。
三量子位的量子糾纏態(tài)，紅點為磷原子的量子位，閃亮的橢圓為電子自旋，圖片來自新南威爾士大學
基于電子自旋的硅基量子計算
達到99%以上的雙量子位門保真度一直是半導體自旋量子位的主要目標。
量子位的高保真度控制對于量子計算的可靠執(zhí)行和容錯能力至關重要。容錯能力是一種可以比錯誤發(fā)生的速度更快糾錯的能力。
荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊使用由硅和硅鍺合金堆棧形成的材料，創(chuàng)造了一個雙量子位系統(tǒng)。其中，量子信息被編碼在限制于量子點的電子自旋中，并最終實現(xiàn)了99.87%的單量子位保真度和99.65%的雙量子位保真度。即使在加入相鄰量子位的串擾和空轉(zhuǎn)誤差后，平均單量子位門的保真度仍高于99%。
團隊使用變分量子本征求解算法(VQE)來執(zhí)行運算，并達到99%以上的雙量子位門保真度。這有利于半導體量子位在容錯量子計算方面發(fā)揮作用，未來可能應用在中等規(guī)模的量子器件上。
雙量子位器件和對稱運算點
硅自旋量子位的量子計算
日本理化學研究所的研究團隊采用了代爾夫特團隊生產(chǎn)的相同材料堆棧，在硅自旋量子位中，通過微磁體誘導的梯度場和可調(diào)諧雙量子位耦合的快速電氣控制，并采用雙量子位的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，實現(xiàn)了99.8%的單量子位保真度和99.5%的雙量子位保真度。
容錯量子計算機依賴于量子糾錯，其要求通用量子位門保真度超過容錯閾值(99%)。以往，在眾多的量子位平臺中，只有超導電路、離子阱和鉆石中的氮-空位中心才能滿足這一要求。
而硅中的電子自旋量子位由于其納米制造能力，對于大規(guī)模量子計算機的研發(fā)很有前景。但由于運行緩慢，其雙量子位門保真度一直被限制在98%內(nèi)。
上述研究結果首次使硅自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導電路和離子阱等相抗衡。這意味著硅量子計算機能夠進行高精度的量子計算。
雙量子位系統(tǒng)
研究還表明，硅量子計算機與超導電路和離子阱一樣，是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機的最佳候選之一。
此前，我國研究團隊也已發(fā)現(xiàn)硅基自旋量子位的優(yōu)勢。中國科學技術大學郭光燦院士團隊與美國、澳大利亞研究人員及本源量子共同合作，實現(xiàn)硅基自旋量子位的超快操控，自旋翻轉(zhuǎn)速率超過540MHz——是目前國際上已報道的最高值，研究論文發(fā)表在1月11日的《自然⋅通訊》期刊上。
