曉查 發自 凹非寺
量子位 | 公衆号 QbitAI
今天的Nature期刊有些特殊，一共有3篇論文同時登上封面，實屬罕見。
來自澳洲、荷蘭、日本的3個不同團隊，同時實作了矽量子計算的一個重要裡程碑——
保真度超過99%。
該結果與谷歌Sycamore量子計算機的2量子比特保真度達到同一水準。
這意味着，近乎無錯誤的矽量子計算是可以實作的。矽量子計算機與谷歌IBM的超導量子計算技術一樣，是實作大型量子計算機的有力候選者。
“當錯誤如此罕見時，就有可能檢測到它們，并在它們發生時進行糾正。這表明有可能建造具有足夠規模和足夠能力的量子計算機，來進行有意義的計算。”
3篇論文之一的通訊作者新南威爾士大學（UNSW）的Andrea Morello教授說。
△ Andrea Morello教授
而且UNSW團隊多年前已取得了另一項超過谷歌的成就：在矽量子系統中将資訊儲存了35秒。
這一時長是谷歌和IBM量子計算機的100萬倍，而後兩者的超導量子計算機僅能将資訊儲存100微秒。
這3項研究在開發半導體量子計算機的路上邁出了極其重要的一步。他們證明了魯棒的、可靠的量子計算機正在成為現實。
他們是如何做到的
以USNW團隊的研究為例，為了保證量子系統的保真度，他們需要解決一個沖突的問題：
那就是既要讓量子比特盡可能“與世隔絕”，以長時間正确儲存資訊，還要使量子比特與外界互相作用，來執行對量子計算的操控。
原子核自旋能夠相當好地與外界環境隔離，之前量子資訊儲存35秒就是在核自旋系統中實作的。
為何讓核自旋與外界互相作用，研究團隊在兩個磷原子核之間引入了一個電子。當兩個核關聯到一個電子時，就可以通過共有的電子進行互動。
△ 紅色點表示磷原子核，外側閃亮的橢圓代表電子
論文作者之一Serwan Asaad博士說：
如果您将核自旋與電子糾纏在一起，那麼電子可以移動到另一個地方，并與更遠地方的其他量子比特核糾纏在一起，進而開辟能夠大量進行魯棒和實用量子計算的道路。
而在矽材料中摻雜磷原子是半導體行業的基本操作（用于制造n型半導體），是以這項技術能與現在的計算機技術相容。
最後，他們使用門集斷層掃描（GST）技術精确地描述了量子操作，得出1量子比特的平均門保真度為99.95%，2量子比特平均門保真度為99.37%，2量子比特制備/測量保真度高達98.95%。
這三個名額表明，矽原子核自旋正在接近容錯量子處理器所需的性能要求。
現在所有經典計算機都有某種形式的誤差校正和資料備援，但量子實體定律對量子計算機中的校正方式構成了嚴重限制。
論文通訊作者Morello說：
通常需要低于1%的錯誤率，才能應用量子糾錯協定。現在已經實作這一目标，我們可以開始設計矽量子處理器，這些處理器可以可靠地擴充和運作，來進行有用的計算。
團隊合作帶來3篇論文
今天Nature封面的3篇論文分别實作了以下成果：
1、澳洲新南威爾士大學團隊通過離子注入矽，在電子和兩個磷原子組成的三量子比特系統上實作了1量子比特99.95%和2量子比特99.37%的保真度。
2、荷蘭代爾夫特理工大學團隊使用矽/矽鍺合金量子點的電子自旋，實作了1量子比特99.87%和2量子比特99.65%的保真度。
3、日本RIKEN團隊同樣在使用矽/矽鍺合金量子點的雙電子系統，實作了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。
雖然各團隊分别獨立發表了實驗結果，但是離不開他們之間廣泛的學術交流，包括實驗技術、材料、人員的互相流通。
△ UNSW團隊，從左至右分别為Asaad Serwan博士、 Andrea Morello教授和Mateusz Madzik博士
- UNSW論文的一作Mateusz Mądzik博士，現在是代爾夫特團隊的博士後；另一位Serwan Asaad博士原來是代爾夫特理工大學的學生。
- 代爾夫特團隊負責人Lieven Vandersypen曾2016年在UNSW進行了為期五個月學術休假通路。
- RIKEN團隊負責人Giordano Scappucci博士是UNSW的前研究員。
此外還有：
- 代爾夫特理工大學和RIKEN組使用的矽/矽鍺合金量子點都是由前者制作，并在兩組之間共享。
- UNSW團隊使用的同位素純化矽材料，則由日本慶應大學的Kohei Itoh教授提供。
- 論文中關鍵的門集斷層掃描（GST）方法，是由美國Sandia國家實驗室開發并公開提供。
參考連結：
[1]https://www.nature.com/nature/volumes/601/issues/7893
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w
[4]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
[5]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-computing-silicon-hits-99-cent-accuracy
— 完 —
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