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(jié)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(dǎo)體技術(shù)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(xué)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(gòu)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(jié)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(xué)
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(dǎo)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(guān)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(xué)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(dǎo)體量子位在容錯量子計算方面發(fā)揮作用，未來可能應(yīng)用在中等規(guī)模的量子器件上。
雙量子位器件和對稱運算點
硅自旋量子位的量子計算
日本理化學(xué)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(dǎo)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(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(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(dǎo)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(xué)技術(shù)大學(xué)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。
