矽量子計算機保真度取得重要突破

英國《自然》雜志19日連發三篇論文，來自三個團隊的科學家們在開發容錯量子計算機方面取得重要突破。他們驗證了矽雙量子位門保真度，超越了容錯計算機的門檻值（99%）。研究結果證明，矽材料中強大、可靠的量子計算正在成為現實。研究還表明，矽量子計算機與超導和離子阱一樣，是實作大規模量子計算機研發的有前途的候選者。

澳洲新南威爾士大學研究團隊在磷供體形成的兩個核自旋之間建立了雙量子位通用量子邏輯運算，通過行業标準的離子注入方法将其引入矽中。他們使用一種被稱為“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，實作了高達99.95%的單量子位保真度和99.37%的雙量子位保真度。此外，根據研究結果，電子自旋本身就是一個量子位，可和兩個原子核糾纏在一起，形成一個三量子位的量子糾纏态，這一保真度達到了92.5%。這為大型矽基量子處理器在現實世界中的制造和應用鋪平了道路。

來自澳洲新南威爾士大學研究團隊的論文的三位主要作者。圖檔來源：Eurekalert網站

荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊使用由矽和矽鍺合金堆棧形成的材料創造了一個雙量子位系統，其中量子資訊被編碼在限制于量子點的電子自旋中，最終實作99.87%的單量子位保真度和99.65%的雙量子位保真度。

日本理化學研究所的研究團隊采取了類似的路線，使用代爾夫特團隊生産的相同材料堆棧，建立了雙電子量子位，實作了99.8%的單量子位保真度和99.5%的雙量子位保真度。研究結果首次使自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導電路和離子陷阱相抗衡。

來自荷蘭和日本的研究團隊在合作實驗過程中發現，一種名為拉比頻率的屬性是量子計算機系統性能的關鍵。他們還發現了一個頻率範圍，其中單量子位門保真度為99.8%，雙量子位門保真度為99.5%，達到了所需的門檻值。

研究人員證明了他們可實作通用運算，這意味着構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，都可在高于糾錯門檻值的門保真度下執行。

為了測試新系統的性能，研究人員還采用了雙量子位的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜尋算法。這兩種算法都能以96%—97%的高保真度輸出正确的結果，表明矽量子計算機可進行高精度的量子計算。

總編輯圈點

目前，世界正處于一場大型量子計算機的開發競賽中，然而科學家的努力受到了一些因素的阻礙，比如消相幹問題，即量子位元中産生的噪聲。這個問題随着量子位數量增加會變得更嚴重，阻礙了規模的擴大。是以，為了實作可應用的大型計算機，科學家設定了至少99%的雙量子位門保真度。現在，這已經在某些類型的計算機上實作了，可以說，科學家正在跨越矽量子計算機面臨的關鍵挑戰。

來源：科技日報