硅自旋立方體中容錯量子計算的關(guān)鍵因素得以實現(xiàn)

來自日本理化學(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)實現(xiàn)了開發(fā)容錯量子計算機的一個關(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%的雙量子比特門的保真度--高于被認(rèn)為是建立容錯計算機的門檻的99%，這對大規(guī)模量子計算機來說是很有希望的，因為建造它們的納米加工技術(shù)已經(jīng)存在。

目前，世界正處于開發(fā)大規(guī)模量子計算機的競賽中，在某些領(lǐng)域，它的表現(xiàn)可以大大超過經(jīng)典計算機。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題，或在量子比特中產(chǎn)生的噪音干擾。這個問題隨著量子比特數(shù)量的增加而變得更加嚴(yán)重，阻礙了規(guī)模的擴大。為了實現(xiàn)可用于有用應(yīng)用的大規(guī)模計算機，人們認(rèn)為需要至少99%的雙量子比特門保真度來實現(xiàn)表面編碼的糾錯。這在某些類型的計算機中已經(jīng)實現(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，但這些都很難擴展到實現(xiàn)實用量子計算所需的數(shù)百萬個量子比特的糾錯。

為了完成目前發(fā)表在《自然》雜志上的工作，該小組決定用一個量子點結(jié)構(gòu)進行實驗，這個量子點是通過在一個緊張的硅/硅鍺量子阱襯底上的納米加工制造的，使用一個可控-NOT（CNOT）門。在以前的實驗中，由于門速度慢，門的保真度受到限制。為了提高柵極速度，他們精心設(shè)計了該裝置，并通過施加在柵極電極上的電壓來調(diào)整裝置的運行條件，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)為提高門速總是會導(dǎo)致更好的保真度，但他們發(fā)現(xiàn)有一個限制，超過這個限制，提高速度實際上會使保真度變差。

通過這項工作，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振蕩場做出反應(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)了一個頻率范圍，在這個范圍內(nèi)單量子比特門的保真度為99.8%，雙量子比特門的保真度為99.5%，達(dá)到了所需的閾值。

通過這一點，他們證明了可以實現(xiàn)通用操作，也就是說，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，都可以在門保真度高于糾錯閾值的情況下進行。

為了測試新系統(tǒng)的能力，研究人員實施了雙量子位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%，表明硅量子計算機能以高精確度進行量子計算。

在同一期的《自然》雜志上，兩個獨立的研究小組也報告了在硅量子比特中實現(xiàn)的類似高保真通用量子門組的實驗演示。QuTech的一個團隊也使用了量子點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）的另一個團隊使用硅中一對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）。

來源：cnBeta.COM

關(guān)鍵詞： 量子計算機 電子自旋 研究人員