來(lái)自日本理化學(xué)研究所和QuTech--代爾夫特理工大學(xué)和TNO之間的合作研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。他們利用硅中的電子自旋量子比特證明了99.5%的雙量子比特門(mén)的保真度--高于被認(rèn)為是建立容錯(cuò)計(jì)算機(jī)的門(mén)檻的99%，這對(duì)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是很有希望的，因?yàn)榻ㄔ焖鼈兊募{米加工技術(shù)已經(jīng)存在。

目前，世界正處于開(kāi)發(fā)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)賽中，在某些領(lǐng)域，它的表現(xiàn)可以大大超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。然而，這些努力受到了一些因素的阻礙，特別是包括退相干問(wèn)題，或在量子比特中產(chǎn)生的噪音干擾。這個(gè)問(wèn)題隨著量子比特?cái)?shù)量的增加而變得更加嚴(yán)重，阻礙了規(guī)模的擴(kuò)大。為了實(shí)現(xiàn)可用于有用應(yīng)用的大規(guī)模計(jì)算機(jī)，人們認(rèn)為需要至少99%的雙量子比特門(mén)保真度來(lái)實(shí)現(xiàn)表面編碼的糾錯(cuò)。這在某些類型的計(jì)算機(jī)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，例如使用基于超導(dǎo)電路、陷落離子和鉆石中的氮空穴中心的量子比特等等，但這些都很難擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特的糾錯(cuò)。

為了完成目前發(fā)表在《自然》雜志上的工作，該小組決定用一個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這個(gè)量子點(diǎn)是通過(guò)在一個(gè)緊張的硅/硅鍺量子阱襯底上的納米加工制造的，使用一個(gè)可控-NOT（CNOT）門(mén)。在以前的實(shí)驗(yàn)中，由于門(mén)速度慢，門(mén)的保真度受到限制。為了提高柵極速度，他們精心設(shè)計(jì)了該裝置，并通過(guò)施加在柵極電極上的電壓來(lái)調(diào)整裝置的運(yùn)行條件，以結(jié)合使用微磁體的既定快速單旋旋轉(zhuǎn)技術(shù)和大型雙量子比特耦合。這使他們能夠?qū)艠O速度比以前的工作提高10倍。有趣的是，以前人們認(rèn)為提高門(mén)速總是會(huì)導(dǎo)致更好的保真度，但他們發(fā)現(xiàn)有一個(gè)限制，超過(guò)這個(gè)限制，提高速度實(shí)際上會(huì)使保真度變差。

通過(guò)這項(xiàng)工作，他們發(fā)現(xiàn)一種被稱為拉比頻率的特性--一種標(biāo)志著量子比特如何對(duì)振蕩場(chǎng)做出反應(yīng)而改變狀態(tài)的特性，這是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)單量子比特門(mén)的保真度為99.8%，雙量子比特門(mén)的保真度為99.5%，達(dá)到了所需的閾值。

通過(guò)這一點(diǎn)，他們證明了可以實(shí)現(xiàn)通用操作，也就是說(shuō)，所有構(gòu)成量子操作的基本操作，包括單量子位操作和雙量子位操作，都可以在門(mén)保真度高于糾錯(cuò)閾值的情況下進(jìn)行。

為了測(cè)試新系統(tǒng)的能力，研究人員實(shí)施了雙量子位Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。在這兩種算法上都輸出了正確的結(jié)果，保真度高達(dá)96-97%，表明硅量子計(jì)算機(jī)能以高精確度進(jìn)行量子計(jì)算。

在同一期的《自然》雜志上，兩個(gè)獨(dú)立的研究小組也報(bào)告了在硅量子比特中實(shí)現(xiàn)的類似高保真通用量子門(mén)組的實(shí)驗(yàn)演示。QuTech的一個(gè)團(tuán)隊(duì)也使用了量子點(diǎn)中的電子自旋量子比特（自旋量子比特跨越表面代碼閾值的量子邏輯）。新南威爾士大學(xué)悉尼分校（University of New South Wales）的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用硅中一對(duì)離子植入的磷核作為核自旋量子比特（硅中三量子比特供體量子處理器的精確斷層掃描）。

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關(guān)鍵詞： 量子計(jì)算機(jī) 電子自旋 研究人員