3篇量子計算里程碑論文同登Nature封面：保真度超99%，達(dá)到實用化水平

曉查 2022-01-20 12:09:03 來源：量子位

曉查 發(fā)自 凹非寺

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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(tuán)隊，同時實現(xiàn)了硅量子計算的一個重要里程碑——

保真度超過99%。

該結(jié)果與谷歌Sycamore量子計算機的2量子比特保真度達(dá)到同一水平。

這意味著，近乎無錯誤的硅量子計算是可以實現(xiàn)的。硅量子計算機與谷歌IBM的超導(dǎo)量子計算技術(shù)一樣，是實現(xiàn)大型量子計算機的有力候選者。

“當(dāng)錯誤如此罕見時，就有可能檢測到它們，并在它們發(fā)生時進(jìn)行糾正。這表明有可能建造具有足夠規(guī)模和足夠能力的量子計算機，來進(jìn)行有意義的計算?！?/p>

3篇論文之一的通訊作者新南威爾士大學(xué)（UNSW）的Andrea Morello教授說。

△ Andrea Morello教授

而且UNSW團(tuán)隊多年前已取得了另一項超過谷歌的成就：在硅量子系統(tǒng)中將信息保存了35秒。

這一時長是谷歌和IBM量子計算機的100萬倍，而后兩者的超導(dǎo)量子計算機僅能將信息保存100微秒。

這3項研究在開發(fā)半導(dǎo)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(xiàn)實。

他們是如何做到的

以USNW團(tuán)隊的研究為例，為了保證量子系統(tǒng)的保真度，他們需要解決一個矛盾的問題：

那就是既要讓量子比特盡可能“與世隔絕”，以長時間正確保存信息，還要使量子比特與外界相互作用，來執(zhí)行對量子計算的操控。

原子核自旋能夠相當(dāng)好地與外界環(huán)境隔離，之前量子信息保存35秒就是在核自旋系統(tǒng)中實現(xiàn)的。

為何讓核自旋與外界相互作用，研究團(tuán)隊在兩個磷原子核之間引入了一個電子。當(dāng)兩個核關(guān)聯(lián)到一個電子時，就可以通過共有的電子進(jìn)行交互。

△ 紅色點表示磷原子核，外側(cè)閃亮的橢圓代表電子

論文作者之一Serwan Asaad博士說：

如果您將核自旋與電子糾纏在一起，那么電子可以移動到另一個地方，并與更遠(yuǎn)地方的其他量子比特核糾纏在一起，從而開辟能夠大量進(jìn)行魯棒和實用量子計算的道路。

而在硅材料中摻雜磷原子是半導(dǎo)體行業(yè)的基本操作（用于制造n型半導(dǎo)體），所以這項技術(shù)能與現(xiàn)在的計算機技術(shù)兼容。

最后，他們使用門集斷層掃描（GST）技術(shù)精確地描述了量子操作，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(dá)98.95%。

這三個指標(biāo)表明，硅原子核自旋正在接近容錯量子處理器所需的性能要求。

現(xiàn)在所有經(jīng)典計算機都有某種形式的誤差校正和數(shù)據(jù)冗余，但量子物理定律對量子計算機中的校正方式構(gòu)成了嚴(yán)重限制。

論文通訊作者M(jìn)orello說：

通常需要低于1%的錯誤率，才能應(yīng)用量子糾錯協(xié)議?，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們可以開始設(shè)計硅量子處理器，這些處理器可以可靠地擴(kuò)展和運行，來進(jìn)行有用的計算。

團(tuán)隊合作帶來3篇論文

今天Nature封面的3篇論文分別實現(xiàn)了以下成果：

1、澳大利亞新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊通過離子注入硅，在電子和兩個磷原子組成的三量子比特系統(tǒng)上實現(xiàn)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(xué)團(tuán)隊使用硅/硅鍺合金量子點的電子自旋，實現(xiàn)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(tuán)隊同樣在使用硅/硅鍺合金量子點的雙電子系統(tǒng)，實現(xiàn)了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。

雖然各團(tuán)隊分別獨立發(fā)表了實驗結(jié)果，但是離不開他們之間廣泛的學(xué)術(shù)交流，包括實驗技術(shù)、材料、人員的相互流通。

△ UNSW團(tuán)隊，從左至右分別為Asaad Serwan博士、 Andrea Morello教授和Mateusz Madzik博士

• UNSW論文的一作Mateusz M?dzik博士，現(xiàn)在是代爾夫特團(tuán)隊的博士后；另一位Serwan Asaad博士原來是代爾夫特理工大學(xué)的學(xué)生。
• 代爾夫特團(tuán)隊負(fù)責(zé)人Lieven Vandersypen曾2016年在UNSW進(jìn)行了為期五個月學(xué)術(shù)休假訪問。
• RIKEN團(tuán)隊負(fù)責(zé)人Giordano Scappucci博士是UNSW的前研究員。

此外還有：

• 代爾夫特理工大學(xué)和RIKEN組使用的硅/硅鍺合金量子點都是由前者制作，并在兩組之間共享。
• UNSW團(tuán)隊使用的同位素純化硅材料，則由日本慶應(yīng)大學(xué)的Kohei Itoh教授提供。
• 論文中關(guān)鍵的門集斷層掃描（GST）方法，是由美國Sandia國家實驗室開發(fā)并公開提供。

參考鏈接：
[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