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??新智元報道??

編輯：David 好困

【新智元導(dǎo)讀】近日，量子計算再獲重大突破，硅基量子門的保真度突破99%，超過容錯閾值！Nature為此在封面上連刊三文。

最新一期的Nature封面又出爐了！

和以往不太一樣，這次是論文「三連發(fā)」。

而作者們提出的方法都讓硅量子計算的保真度達到99%以上，超過了容錯閾值。

或許，基于硅的量子計算機也即將成為可能。

在此之前，眾多的量子比特平臺中，只有超導(dǎo)電路、離子陷阱和鉆石中的氮-空位中心能夠讓保真度超過99%的糾錯閾值。

而硅中的電子自旋量子比特由于操作緩慢，雙量子比特門的保真度一直被限制在98%以內(nèi)。

「Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold」的一作是Xiao Xue，來自代爾夫特理工大學(xué)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w

作者使用由硅和硅鍺合金堆棧形成的材料創(chuàng)造了一個雙量子比特系統(tǒng)，其中量子信息被編碼在限制于量子點的電子自旋中。

結(jié)果顯示，單量子比特保真度為99.87%，雙量子比特的保真度為99.65%，均在99.5%以上。加入相鄰量子比特的串擾和空轉(zhuǎn)誤差后，平均單量子比特門的保真度仍然高于99%。

「Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon」一作Akito Noiri，來自日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

作者通過使用微磁體誘導(dǎo)的梯度場和可調(diào)整的雙量子比特耦合的快速電控制，證明了硅自旋量子比特的雙量子比特門的保真度可以達到99.5%，而單量子比特的保真度更是高達99.8%。

研究結(jié)果首次使自旋量子比特在通用量子控制性能方面與超導(dǎo)電路和離子陷阱相抗衡。

「Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon」，一作Mateusz T. M?dzik，同樣來自代爾夫特理工大學(xué)。共同一作Serwan Asaad，來自哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7

作者提出了在硅納米電子器件中使用一對離子注入的磷供體核執(zhí)行通用量子邏輯運算。

利用量子門集層析成像（GST）對量子操作進行驗證后發(fā)現(xiàn)，單量子比特的保真度高達99.95%，雙量子比特的保真度為99.37%，雙量子比特準備/測量保真度為98.95%。

此外，通過產(chǎn)生一個保真度為92.5%的Greenberger-Horne-Zeilinger三量子比特狀態(tài)，還可證明兩個核和共享電子之間的糾纏。

量子糾錯

量子計算系統(tǒng)的基本思想是，量子比特能夠處于一種不僅僅是「1」或「0」的狀態(tài)，而是某種稱為「疊加態(tài)」的組合。這意味著兩個量子比特可以處于「01」、「10」、「11」和「00」的疊加狀態(tài)，從而可以表示更多的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

這種特征可用于某些超復(fù)雜計算的加速，經(jīng)典計算機無法在可接受的時間內(nèi)完成這類計算。比如用于超大數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解的Shor算法，以及用于材料科學(xué)和藥物設(shè)計的其他算法。

建造大型、可操作的量子計算機是一項極其雄心勃勃、又非常困難的技術(shù)任務(wù)。目前，應(yīng)用最廣泛的量子比特系統(tǒng)是由 IBM 和谷歌等科技巨頭在其量子處理器中使用的超導(dǎo)電路制成的。

目前，這些量子系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了重要的計算任務(wù)演示。谷歌表示，目前該公司的超導(dǎo)量子設(shè)備只需要大約200秒來執(zhí)行計算，而相同的任務(wù)，經(jīng)典超算則需要花費10000年。

不過目前這些超導(dǎo)量子系統(tǒng)相對較大，很難安裝在單個冷卻系統(tǒng)中的單個芯片上，也很難擴展到更大的設(shè)備中。

另一個問題是，它們只能在很有限的時間內(nèi)保持給定的疊加態(tài)，這一時間長度稱為「相干時間」。相干時間受限會導(dǎo)致量子比特執(zhí)行的計算中容易出現(xiàn)錯誤，需要開發(fā)糾錯協(xié)議來減少這些錯誤，目前的糾錯基本上是通過增加量子比特的數(shù)量，通過冗余來實現(xiàn)的。

研究人員提出一種超導(dǎo)量子比特的替代方案：電子自旋量子比特。

這種方案基于電子自旋的量子性質(zhì)，相干時間較長。在該方案中，將量子比特通過一種機制形成，將單個電子與其環(huán)境隔離，確保其可訪問性，并且仍可通過外加的電磁場進行控制。

最常見的方法是使用量子點，它是在兩種半導(dǎo)體材料的界面處形成的微小陷阱。可以通過使用金屬引線來設(shè)計多個量子點來創(chuàng)建單獨的陷阱，每個陷阱都可以容納一個電子。

用于糾錯的量子比特系統(tǒng)示意圖。（左）通過定位兩個電子實現(xiàn)了「雙量子比特門」，使它們的量子力學(xué)波函數(shù)重疊到一定的程度，作為量子點之間的屏障。（右）通過使用磷原子核實現(xiàn)了類似的目標。原子核之間的相互作用是由微波天線控制的電子介導(dǎo)的。

這些量子比特是在硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)中制造的，該結(jié)構(gòu)由夾在其他半導(dǎo)體之間的硅層組成，并由金屬導(dǎo)線控制。

兩個研究團隊通過定位兩個電子，使它們的量子力學(xué)波函數(shù)（電子的空間范圍）重疊到一定程度，由作為量子點之間的屏障的電場來控制，從而實現(xiàn)雙量子比特門。

另一個團隊則使用磷原子核實現(xiàn)了類似的目標。原子核之間的相互作用是由微波天線控制的電子介導(dǎo)的。

在自旋量子比特的制備材料上，三個團隊均選擇了硅。這主要是因為硅可以被同位素純化，它的絕大多數(shù)原子不會發(fā)生與其原子核相關(guān)的凈自旋。這種自旋將與量子比特相互作用，導(dǎo)致量子信息的丟失。

此外，硅是用于計算機電路的常見材料，可以更加充分地利用現(xiàn)有納米電子基礎(chǔ)設(shè)施。

與經(jīng)典計算中使用邏輯門類似，量子計算系統(tǒng)中也需要使用量子比特邏輯門。后者可以通過磁場產(chǎn)生，但是電子自旋和磁場的相互作用很弱。相比之下，用電場控制電子運動與自旋實現(xiàn)耦合，可以更快地實現(xiàn)控制。

在雙量子比特的門中，兩個電子靠得很近，以至于量子力學(xué)波函數(shù)是重疊的。這種重疊產(chǎn)生了有效的自旋-自旋相互作用，如果加以小心控制，會導(dǎo)致量子比特的「糾纏」，即共享一個共同的狀態(tài)，不再可以獨立描述。一個量子比特的狀態(tài)變化取決于另一個量子比特的狀態(tài)。

這種精確條件下的操作準確性有一個度量，稱為「保真度」，它需要滿足量子糾錯策略可行的最小閾值。以Xiao Xue和Noiri為第一作者的兩個團隊，都實驗中成功實現(xiàn)了這一里程碑。

以M?dzik為第一作者的另一個團隊，通過利用磷原子的核自旋取得了類似的進展，磷原子取代硅晶格中的硅原子。這一方案的核自旋具有極長的相干時間。

過去，引導(dǎo)核自旋之間相互作用，實現(xiàn)精確操作的方法一直很少。M?dzik等人使用電子介導(dǎo)兩個核自旋之間的相互作用，生成高保真度的雙量子比特糾纏門，成功將核自旋量子比特操作的準確性提高到量子糾錯閾值水平之內(nèi)。

三個團隊的研究結(jié)果，都使基于硅的量子信息處理更接近于一個可行的量子計算平臺。

然而，在可擴展性上仍有挑戰(zhàn)需要克服。一個關(guān)鍵問題是，當系統(tǒng)的規(guī)模增加時，即使是單個量子比特，其校準、基準測試和保真度都會受到負面影響。

下一步，研究人員的目標將是構(gòu)建一個更大的量子點陣列，承載兩個量子比特門，同時保真度不保持現(xiàn)有的高水平。

作者介紹

Xiao Xue目前在代爾夫特理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

1992年出生于山東，2014年在中國科技大學(xué)凝聚態(tài)物理專業(yè)獲得應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士，2014年-2016年在清華大學(xué)交叉信息研究院量子信息中心進行研究生學(xué)習(xí)。

Xiao Xue的師兄Mateusz M?dzik，目前在代爾夫特理工大學(xué)從事博士后研究。

此前于2014年在波蘭的華沙理工大學(xué)獲得了電子工程學(xué)士學(xué)位，于2016年在阿布扎比的馬斯達爾研究所獲得了微系統(tǒng)工程的碩士學(xué)位，隨后于2020年在悉尼的新南威爾士大學(xué)獲得博士學(xué)位。

值得一提的是，他研究了核自旋凍結(jié)引起的退相干效應(yīng)，并證明了與兩個磷供體結(jié)合的電子自旋之間的兩個量子比特門，以及在一個單獨的實驗中，在一個雙供體簇中的核自旋之間的量子比特門。

Mateusz M?dzik論文的共同一作Serwan Asaad，目前在哥本哈根大學(xué)從事博士后研究。

2013年在烏特勒支大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，并同時完成了物理學(xué)學(xué)士課程和數(shù)學(xué)學(xué)士課程，2015年在代爾夫特理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2019年在澳大利亞新南威爾士大學(xué)獲得博士學(xué)位。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00047-0

本文部分引用以下文章的技術(shù)介紹：

http://tech.china.com.cn/hydt/20220120/384411.shtml

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??新智元報道??

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