硅基量子計(jì)算機(jī)即將成為可能。
近日，《自然》(Nature)在封面連刊三篇論文，3個(gè)不同團(tuán)隊(duì)的研究人員驗(yàn)證了硅雙量子位門保真度，均達(dá)到99%以上，超越了量子計(jì)算的容錯(cuò)閾值。研究結(jié)果證實(shí)，硅材料中強(qiáng)大、可靠的量子計(jì)算正在成為現(xiàn)實(shí)，有助于建造與當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)兼容的硅基量子器件。
《自然》(Nature)封面，圖片來(lái)自Nature
使用核自旋的硅基量子計(jì)算
核自旋是最早被考慮用于量子信息處理的物理平臺(tái)之一，因?yàn)樗鼈兙哂凶吭降牧孔酉喔尚院驮映叨鹊能壽E。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(lái)維持容錯(cuò)量子計(jì)算的方法，核自旋在量子計(jì)算方面的潛力尚待發(fā)掘。
澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在磷供體形成的兩個(gè)核自旋之間創(chuàng)建了雙量子位通用量子邏輯運(yùn)算，通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)其量子處理器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(zhǔn)備/測(cè)量保真度。三項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，硅中的核自旋接近容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)所要求的性能。
研究人員證明了通用量子運(yùn)算的可實(shí)現(xiàn)性，這意味著構(gòu)成量子運(yùn)算的所有基本運(yùn)算，包括單量子位運(yùn)算和雙量子位運(yùn)算，均可在高于容錯(cuò)閾值的保真度下執(zhí)行。
此外，據(jù)研究結(jié)果，電子自旋本身就是一個(gè)量子位，可與兩個(gè)原子核糾纏，形成一個(gè)三量子位的量子糾纏態(tài)，保真度達(dá)到92.5%。這為實(shí)現(xiàn)使用電子自旋與核自旋的硅基量子計(jì)算機(jī)提供了可行方法。
三量子位的量子糾纏態(tài)，紅點(diǎn)為磷原子的量子位，閃亮的橢圓為電子自旋，圖片來(lái)自新南威爾士大學(xué)
基于電子自旋的硅基量子計(jì)算
達(dá)到99%以上的雙量子位門保真度一直是半導(dǎo)體自旋量子位的主要目標(biāo)。
量子位的高保真度控制對(duì)于量子計(jì)算的可靠執(zhí)行和容錯(cuò)能力至關(guān)重要。容錯(cuò)能力是一種可以比錯(cuò)誤發(fā)生的速度更快糾錯(cuò)的能力。
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用由硅和硅鍺合金堆棧形成的材料，創(chuàng)造了一個(gè)雙量子位系統(tǒng)。其中，量子信息被編碼在限制于量子點(diǎn)的電子自旋中，并最終實(shí)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?dāng)_和空轉(zhuǎn)誤差后，平均單量子位門的保真度仍高于99%。
團(tuán)隊(duì)使用變分量子本征求解算法(VQE)來(lái)執(zhí)行運(yùn)算，并達(dá)到99%以上的雙量子位門保真度。這有利于半導(dǎo)體量子位在容錯(cuò)量子計(jì)算方面發(fā)揮作用，未來(lái)可能應(yīng)用在中等規(guī)模的量子器件上。
雙量子位器件和對(duì)稱運(yùn)算點(diǎn)
硅自旋量子位的量子計(jì)算
日本理化學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)采用了代爾夫特團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的相同材料堆棧，在硅自旋量子位中，通過(guò)微磁體誘導(dǎo)的梯度場(chǎng)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(shí)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(cuò)量子計(jì)算機(jī)依賴于量子糾錯(cuò)，其要求通用量子位門保真度超過(guò)容錯(cuò)閾值(99%)。以往，在眾多的量子位平臺(tái)中，只有超導(dǎo)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(duì)于大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)很有前景。但由于運(yùn)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(jié)果首次使硅自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導(dǎo)電路和離子阱等相抗衡。這意味著硅量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高精度的量子計(jì)算。
雙量子位系統(tǒng)
研究還表明，硅量子計(jì)算機(jī)與超導(dǎo)電路和離子阱一樣，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的最佳候選之一。
此前，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)也已發(fā)現(xiàn)硅基自旋量子位的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與美國(guó)、澳大利亞研究人員及本源量子共同合作，實(shí)現(xiàn)硅基自旋量子位的超快操控，自旋翻轉(zhuǎn)速率超過(guò)540MHz——是目前國(guó)際上已報(bào)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。
