半导体量子计算的里程碑：首次实现纠错
未来的大规模量子计算机将依靠量子纠错（QEC）来保护计算过程中脆弱的量子信息。硅基量子比特的系列进展使得高质量的单量子比特、双量子比特系统得以实现；然而，三个或更多耦合的量子比特、三量子比特门，或基于测量的反馈QEC演示，仍然存在挑战。
日本理化学研究所(RIKEN)研究人员展示了硅自旋(半导体量子点)三量子比特计算系统中的纠错，向实现大规模、实用型量子计算机迈出了重要一步。8月24日，相关研究以《使用硅自旋量子比特进行量子纠错》为题[1]，发表在《自然》杂志上。
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硅量子比特：兼容纳米技术，纠错亟待发展
量子计算机是当今研究的热门领域，它们有望解决使用传统计算机难以解决的重要问题。与经典计算机相比，它们的架构完全不同：使用量子物理学中的叠加态；然而，由于设计方式完全不同，它们对环境噪声、退相干等其他问题非常敏感，需要进行纠错才能进行精确计算。
今天的一个重要挑战是选择哪些系统最能充当“量子比特”——用于进行量子计算的基本单位。不同的候选系统有自己的长处和短处。流行的系统包括超导电路和捕获离子，它们的优点是已经证明了某些纠错，可以在小范围内投入实际使用。硅基量子技术在近十年才开始发展，它的优势在于利用了类似小芯片中集成数十亿个晶体管的半导体纳米结构，因此可以利用当前的生产技术：硅基自旋量子比特与成熟的纳米加工技术的兼容性，为将装置尺寸从现今的原型机扩大到大规模计算机提供了希望。
然而，硅基技术的一个主要问题是缺乏纠错（error correction）技术。研究人员之前已经证明了对两个量子比特的控制，但这还不足以进行纠错：需要一个三量子比特的系统。
02
首次硅量子比特纠错：完全控制三量子比特系统
在此次由RIKEN新兴物质科学中心和RIKEN量子计算中心的研究人员进行的研究中，共同实现了这一壮举：展示了对三量子比特系统（硅中最大的量子比特系统之一）的完全控制，从而首次提供了硅量子比特纠错的原型。他们通过实施一个三量子比特Tooffoli型量子门来实现这一目标。
三量子比特QEC和基于硅的三量子比特器件。a）三量子比特相位翻转量子纠错码的概要。包括数据量子比特Q 2和两个辅助量子比特Q 1、Q 3。双量子比特CNOT门纠缠三个量子比特，然后Hadamard (H)门旋转量子比特以产生相位翻转错误。解码是编码的逆过程。最后，校正由一个三量子比特Tooffoli门执行。b）设备的扫描电镜图像。c）装置的示意横截面。
实验中使用的样品样品是在同位素天然硅/硅锗（Si/SiGe）异质结构中的门定义的三量子比特，最终得到的硅自旋量子比特具有22 ms的平均弛豫时间T1、1.8 μs的不均匀退相时间
为了纠正解码的状态，团队实现了一个Toffoli三量子比特门，并进行了GHZ态（Greenberger–Horne–Zeilinger state，一种三量子比特纠缠态）的断层扫描。随后，实验团队结合微波脉冲，转向相位翻转纠正码的实现。结果表明，辅助量子比特的状态反映了编码量子比特状态的错误：正确地执行了在编码的三量子比特状态上的错误检测。
三量子比特GHZ态和共振驱动的iToffoli门编码。a）产生三量子比特GHZ状态的量子电路，作用于相邻量子比特的两个CNOT门是通过单量子比特和双量子比特门的组合来实现的；b&c）三量子比特GHZ态的测量密度矩阵；d）各种输入状态的GHZ态生成结果；e）三自旋态的能量示意图；f）四种不同控制量子比特状态的Q2共振峰；g）iToffoli门真值表测量的示意图；h）iToffoli门真值表的测量结果。
单量子比特相位错误纠正。a）量子电路示意图。用于编码和解码的操作被分解为单量子比特门和双量子比特门。b）单量子比特相位错误纠正的结果。未纠错的保真度在0-1之间波动，纠错的保真度始终等于1。c）辅助量子比特测量结果。与使用标准Toffoli门的情况相比，辅助量子比特状态被集体翻转。
不过，实际量子计算机中的错误可能同时发生在所有量子比特上，而不是仅发生在一个量子比特上。为进一步证明在硅片中成功实现了三量子比特相位校正代码，团队在所有错误具有相同的有效错误率p的情况下验证了纠错码的性能。最终，成功展示了各种三量子比特纠缠态的产生、有效的单步谐振驱动iToffoli门以及三量子比特QEC在硅中的基本特性。
三量子比特相位错误纠正。a）用于三量子比特相位错误纠正的量子电路示意图。c）用于三量子比特退相错误纠正的量子电路示意图。d）纠错和未纠错量子比特的状态保真度比较。
03
扩大实验规模，与半导体企业合作
针对此次突破性的实验进展，论文的第一作者Kenta Takeda表示[2]：“在量子点中实现量子纠错码的想法大约是在十年前提出的，因此这不是一个全新的概念，而是对材料的一系列改进；设备制造和测量技术使我们能够在这项工作中取得成功。我们很高兴能够实现这一目标。”
研究小组负责人Seigo Tarucha进一步表示下一步将是扩大系统规模。“我们认为扩大规模是下一步。为此，最好能与能够大规模制造硅基量子器件的半导体工业集团合作。”
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04986-6
[2]https://phys.org/news/2022-08-error-silicon-qubit.html