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’。

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，基於硅的量子計算機也即將成爲可能。

在此之前，衆多的量子比特平臺中，只有超導電路、離子陷阱和鑽石中的氮-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於操作緩慢，雙量子比特門的保真度一直被限制在98%以內。

‘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。

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造了一個雙量子比特系統，其中量子信息被編碼在限制於量子點的電子自旋中。

結果顯示，單量子比特保真度爲99.87%，雙量子比特的保真度爲99.65%，均在99.5%以上。加入相鄰量子比特的串擾和空轉誤差後，平均單量子比特門的保真度仍然高於99%。

‘Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon’一作Akito Noiri，來自日本理化學研究所新興物質科學中心。

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

作者通過使用微磁體誘導的梯度場和可調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%。

研究結果首次使自旋量子比特在通用量子控制性能方面與超導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。 Mądzik，同樣來自代爾夫特理工大學。共同一作Serwan Asaad，來自哥本哈根大學尼爾斯·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後發現，單量子比特的保真度高達99.95%，雙量子比特的保真度爲99.37%，雙量子比特准備/測量保真度爲98.95%。

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

量子糾錯

量子計算系統的基本思想是，量子比特能夠處於一種不僅僅是‘1’或‘0’的狀態，而是某種稱爲‘疊加態’的組合。這意味着兩個量子比特可以處於‘01’、‘10’、‘11’和‘00’的疊加狀態，從而可以表示更多的狀態和數據。

這種特徵可用於某些超複雜計算的加速，經典計算機無法在可接受的時間內完成這類計算。比如用於超大數的質因數分解的Shor算法，以及用於材料科學和藥物設計的其他算法。

建造大型、可操作的量子計算機是一項極其雄心勃勃、又非常困難的技術任務。目前，應用最廣泛的量子比特系統是由 IBM 和谷歌等科技巨頭在其量子處理器中使用的超導電路製成的。

目前，這些量子系統已經實現了重要的計算任務演示。谷歌表示，目前該公司的超導量子設備只需要大約200秒來執行計算，而相同的任務，經典超算則需要花費10000年。

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

另一個問題是，它們只能在很有限的時間內保持給定的疊加態，這一時間長度稱爲‘相干時間’。相干時間受限會導致量子比特執行的計算中容易出現錯誤，需要開發糾錯協議來減少這些錯誤，目前的糾錯基本上是通過增加量子比特的數量，通過冗餘來實現的。

研究人員提出一種超導量子比特的替代方案：電子自旋量子比特。

這種方案基於電子自旋的量子性質，相干時間較長。在該方案中，將量子比特通過一種機制形成，將單個電子與其環境隔離，確保其可訪問性，並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計多個量子點來創建單獨的陷阱，每個陷阱都可以容納一個電子。

用於糾錯的量子比特系統示意圖。（左）通過定位兩個電子實現了‘雙量子比特門’，使它們的量子力學波函數重疊到一定的程度，作爲量子點之間的屏障。（右）通過使用磷原子覈實現了類似的目標。原子核之間的相互作用是由微波天線控制的電子介導的。

這些量子比特是在硅異質結構中製造的，該結構由夾在其他半導體之間的硅層組成，並由金屬導線控制。

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

另一個團隊則使用磷原子覈實現了類似的目標。原子核之間的相互作用是由微波天線控制的電子介導的。

在自旋量子比特的製備材料上，三個團隊均選擇了硅。這主要是因爲硅可以被同位素純化，它的絕大多數原子不會發生與其原子核相關的淨自旋。這種自旋將與量子比特相互作用，導致量子信息的丟失。

此外，硅是用於計算機電路的常見材料，可以更加充分地利用現有納米電子基礎設施。

與經典計算中使用邏輯門類似，量子計算系統中也需要使用量子比特邏輯門。後者可以通過磁場產生，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耦合，可以更快地實現控制。

在雙量子比特的門中，兩個電子靠得很近，以至於量子力學波函數是重疊的。這種重疊產生了有效的自旋-自旋相互作用，如果加以小心控制，會導致量子比特的‘糾纏’，即共享一個共同的狀態，不再可以獨立描述。一個量子比特的狀態變化取決於另一個量子比特的狀態。

這種精確條件下的操作準確性有一個度量，稱爲‘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爲第一作者的兩個團隊，都實驗中成功實現了這一里程碑。

以Mądzik爲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，引導核自旋之間相互作用，實現精確操作的方法一直很少。Mądzik等人使用電子介導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。

三個團隊的研究結果，都使基於硅的量子信息處理更接近於一個可行的量子計算平臺。

然而，在可擴展性上仍有挑戰需要克服。一個關鍵問題是，當系統的規模增加時，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有的高水平。

作者介紹

Xiao Xue目前在代爾夫特理工大學攻讀博士學位。

1992年出生于山東，2014年在中國科技大學凝聚態物理專業獲得應用物理學學士，2014年-2016年在清華大學交叉信息研究院量子信息中心進行研究生學習。

Xiao Xue的師兄Mateusz Mądzik，目前在代爾夫特理工大學從事博士後研究。

此前於2014年在波蘭的華沙理工大學獲得了電子工程學士學位，於2016年在阿布扎比的馬斯達爾研究所獲得了微系統工程的碩士學位，隨後於2020年在悉尼的新南威爾士大學獲得博士學位。

值得一提的是，他研究了核自旋凍結引起的退相干效應，並證明了與兩個磷供體結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 Mądzik論文的共同一作Serwan Asaad，目前在哥本哈根大學從事博士後研究。

2013年在烏特勒支大學獲得學士學位，並同時完成了物理學學士課程和數學學士課程，2015年在代爾夫特理工大學獲得碩士學位，2019年在澳大利亞新南威爾士大學獲得博士學位。

來源：新智元