硅量子计算的重大突破，同时三篇论文实现2Q门保真度99%以上

光子盒研究院出品

最新一期的《自然》杂志同时刊登了三篇关于硅量子计算的论文，而且三篇论文全部实现双量子比特门保真度99%以上。其中，新南威尔士大学Andrea Morello团队的论文Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon登上了杂志封面。这三项研究为大型硅基量子处理器的量产和应用铺平了道路。

2022年1月20日《自然》杂志

双量子比特门保真度达到99%是量子计算有用的基础门槛。“今天发表《自然》论文表明，我们的计算99%是没有错误的。”Andrea Morello教授说，他与美国、日本、埃及以及悉尼科技大学和墨尔本大学的合作伙伴一起领导了这项工作。

他说：“这表明有可能构建具有足够规模和足够能力的量子计算机来处理有意义的计算。这项研究是我们实现通用量子计算机目标的一个重要里程碑。”

Serwan Asaad、Andrea Morello和Mateusz Mądzik是新南威尔士大学(UNSW)论文的主要作者。

今天在《自然》发表的三篇论文独立地证实了强大、可靠的硅量子计算现在已经成为现实：

● 由Andrea Morello领导的新南威尔士大学(UNSW)团队在磷供体形成的两个核自旋之间创建了两个量子比特的通用量子逻辑运算，通过行业标准的离子注入方法引入硅中。量子操作涉及一个电子，它的概率波分布在两个原子核上。单个原子核的保真度高达99.95%，两个量子比特的保真度高达99.37%，通过门集层析成像(GST)验证。电子自旋本身就是一个量子比特，它可以与两个原子核纠缠，形成一个三量子比特的量子纠缠态，保真度为92.5%。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7

在三量子比特硅量子处理器中获得了99%以上的量子操作保真度。前两个量子比特(Q1、Q2)是单独注入的磷原子(红色球体)的核自旋。第三个量子比特(Q3)是电子围绕两个原子核的自旋(闪亮的椭圆)。

● 由Lieven Vandersypen领导的荷兰代尔夫特理工大学团队在一种由硅和硅锗合金(Si/SiGe)精心生长而成的材料中创建了一个双量子比特系统。量子信息被编码在量子点中的电子自旋中。应用门集层析成像不仅可以量化，还可以提高量子运算的精度，实现了99.87%的单量子比特保真度和99.65%的双量子比特保真度。论文第一作者Xiao Xue说：“将两个量子比特的门保真度大大提高到99%以上，需要改进材料和专门设计的量子比特控制和校准方法。”Xiao Xue，1992年出生于山东，2014年在中国科技大学凝聚态物理专业获得应用物理学学士，2014年-2016年在清华大学交叉信息研究院量子信息中心进行研究生学习。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w

● 由量子点领域的创始人之一Tarucha Seigo领导的日本RIKEN团队走了一条类似的道路，使用代尔夫特团队生产的相同材料堆在Si/SiGe中创建了两个电子量子比特。通过非常快速的操作，实现了99.84%的单量子比特保真度和99.51%的双量子比特保真度。他们使用随机基准测试来衡量保真度。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

UNSW和代尔夫特团队使用了一种称为门集层析成像(GST)的复杂方法对他们的量子处理器的性能进行了认证，该方法最早由美国桑迪亚国家实验室开发，并向研究界公开。

Morello教授在2014年已经证明，由于核自旋与环境的极端隔离，他可以将量子信息保存在硅中35秒。

论文：

https://www.nature.com/articles/nnano.2014.211

Morello教授说：“在量子世界中，35秒是永恒的。作为对比，著名的谷歌和IBM超导量子计算机的寿命大约是一百微秒——短了近一百万倍。”

但代价是，隔离量子比特导致它们似乎不可能相互作用，而量子比特的相互作用却是执行实际计算所必需的。

今天的论文描述了他的团队如何通过使用包含两个磷原子核的电子来克服这个问题。实验的主要作者之一Mateusz Madzik博士说：“如果有两个连接到同一个电子的原子核，就可以让它们进行量子操作。当不操作电子时，这些原子核可以安全地存储它们的量子信息。然后，让它们通过电子相互作用，可以实现通用的量子操作，可以适应任何计算问题。”

这三个量子比特可以在量子纠缠态中制备，释放了量子计算机的指数能力。

“这确实是一种有效的技术，”另一位主要作者Serwan Asaad博士说。“核自旋是核心量子处理器。如果你将它们与电子纠缠在一起，那么电子就可以被移动到另一个地方并与更远的其他量子比特核纠缠在一起，从而为制造能够进行强大和有用计算的大型量子比特阵列开辟了道路。”

论文合著者、墨尔本大学研究负责人David Jamieson教授说：“磷原子是通过离子注入引入到硅芯片中的，这与所有现有的硅计算机芯片中使用的方法相同。这确保了我们的量子突破与更广泛的半导体行业兼容。”

在硅纳米电子器件中使用一对离子注入的31P原子核演示了通用量子逻辑运算。制造方法与现有计算机芯片的行业标准工艺兼容。

今天所有的计算机都部署了某种形式的纠错和数据冗余，但量子物理定律对如何在量子计算机中进行纠错提出了严格的限制。Morello教授解释说：“为了应用量子纠错协议，通常需要低于1%的错误率。而现在已经实现了这个目标，我们可以开始设计硅量子处理器——可以扩展并可靠地运行以进行有用的计算。”

硅中的半导体自旋量子比特非常适合成为可靠量子计算机的首选平台。它们足够稳定，可以长时间保存量子信息，并且可以使用现有先进半导体制造技术中熟悉的技术进行扩展。

Morello教授说：“到目前为止，硅量子比特的挑战一直是以足够高的精度执行量子逻辑运算。今天发表的三篇论文都展示了如何克服这一挑战，使错误能够比看起来更快地得到纠正。”

参考链接：

[1]https://scitechdaily.com/major-breakthrough-as-quantum-computing-in-silicon-hits-99-accuracy/

[2]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-computing-silicon-hits-99-cent-accuracy

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00047-0

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