根据今天发表在《自然》杂志的论文《硅中六量子比特量子处理器的通用控制》[1]，荷兰QuTech量子计算研究中心的研究人员已经在一个完全可操作的阵列中设计出了创纪录数量的六个硅基自旋量子比特。重要的是，通过新的芯片设计、自动校准程序以及量子比特初始化和读出的新方法，这些量子比特可以实现低错误率的运行：这一进展将有助于实现基于硅的可扩展量子计算机。需要说明的是，几个月前由澳大利亚量子计算制造商SQC与新南威尔士大学Michelle Simmons教授团队合作开发了世界上第一个原子级量子集成电路，其中包含10个量子点量子比特，但它并不是基于门的通用量子计算机。基于硅自旋(或半导体量子点)的通用量子计算机，此前的量子比特数量的纪录是4个。
不同的材料可以用来生产量子比特，但没有人知道哪种材料会变成建造大规模量子计算机的最佳选择。到目前为止，只有较小规模的硅量子芯片演示了高质量的量子比特操作。现在，来自QuTech的研究人员在Lieven Vandersypen教授的领导下，已经在硅中生产了一个六量子比特的芯片，并以低错误率运行。这是向使用硅的容错量子计算机迈出的重要一步。为了制造量子比特，单个电子被放置在一个由六个“量子点”组成的线性阵列中，其间距为90纳米。量子点阵列是在硅芯片中制作的，其结构与晶体管非常相似：这是每个计算机芯片中的常见组件。一种被称为“自旋”的量子力学特性被用来定义一个量子比特，其方向定义了0或1的逻辑状态。该团队使用精细调谐的微波辐射、磁场和电势来控制和测量单个电子的自旋，并使其相互作用。本次实验所描述的六量子比特的量子处理器。通过调整芯片上的红、蓝、绿三条线的电压，创造出了这些量子比特。被称为SD1和SD2的结构是极其敏感的电场传感器，它甚至可以检测单个电子的电荷。这些传感器加上先进的控制方案使研究人员能够将单个电子放置在标有（1）-（6）的位置，然后将其作为量子比特来操作。
单量子比特门表征。a）每个量子比特的拉比振荡，自旋分数是指量子比特Q2-Q5的自旋分数以及量子比特Q1和Q6的自旋分数。b）六个量子比特中每一个的量子比特频率。c）每个量子比特的拉比频率作为施加的微波功率的函数。d）每个量子比特的随机基准测试结果，报告的保真度是平均单量子比特门保真度，不确定性(2σ)是使用拟合的协方差矩阵计算的。e）表显示移相时间T2*，每个量子比特的回波衰减时间(T2h)和可见性(vis.)。
双量子比特门表征。a）用于测量一对量子比特之间的受控相位（CPhase）振荡的量子电路。b）–f），测量的自旋概率作为相邻量子比特对Q1–Q2(b)、Q2–Q3(c)、Q3–Q4(d)、Q4–Q5(e)和Q5–Q6的总演化时间函数。f)用于不同的虚拟势垒门电压0和1对应于交换关闭并处于最大值。g）为每个量子比特对测量的最大交换耦合，以及其他对的相应剩余交换耦合。h）所有量子比特对的交换耦合与虚拟势垒门电压的关系。J）脉冲形状的交换幅度贯穿一个用于CZ门的门电压脉冲，并将相应的脉冲形状转换为门电压。
实验结果显示，所有平均单量子比特门保真度都在99.77±0.04%和99.96±0.01%之间：这表明，即使在这个扩展的量子比特阵列中，研究人员也实现了高保真单量子比特控制。双量子比特门是通过脉冲相邻点之间的（虚拟）屏障门来实现的，同时保持在对称点。通过在六量子比特阵列上建立单量子比特和双量子比特控制，科学家继续创建和量化跨量子点阵列的成对纠缠，作为量子比特控制质量的衡量标准。
贝尔态层析扫描
结果显示，在六量子点阵列上测量获得的密度矩阵具有从88%到96%的状态保真度：这大大高于78%到89%的贝尔态保真度。在将量子点系统扩展到创纪录数量的量子比特时，该团队实现了每个量子比特的拉比振荡，可见度为93.5-98.0%，这意味着高读出和初始化保真度。论文的第一作者Stephan Philips解释说：“今天的量子计算挑战由两部分组成，开发质量足够好的量子比特，以及开发一种允许人们建立大型量子比特系统的架构。我们的工作两者兼有。而由于建造量子计算机的总体目标是一项巨大的努力，我们在正确的方向上做出了贡献。”电子的自旋是一个脆弱的属性。电磁环境的微小变化会导致自旋方向的波动，这就增加了错误率。QuTech团队在他们以前的量子点工程经验基础上，用新的方法来准备、控制和读取电子的自旋状态：使用这种新的量子比特排列方式，他们可以根据需要创建逻辑门和纠缠两个或三个电子的系统。使用超导量子比特已经产生了超过50个量子比特的量子阵列。然而，正是硅工程基础设施的全球可用性，使硅量子设备有希望更容易地从研究转移到工业生产。硅带来了一定的工程挑战，在QuTech团队的这项工作之前，只有最多3个量子比特的阵列可以在不牺牲质量的情况下在硅中进行工程设计。拥有大量量子比特数和高保真度操作的要求通常是相互矛盾的。“这篇论文表明，通过仔细的工程设计，有可能增加硅自旋量子比特的数量，同时保持与单量子比特相同的精度。本研究中开发的关键构件可用于在接下来的迭代研究中增加更多的量子比特。”共同作者Mateusz Madzik博士说[2]。Vandersypen教授说：“在这项研究中，我们推动了硅中量子比特数量的发展，并实现了高初始化保真度、高读出保真度、高单量子比特门保真度和高双量子比特状态保真度，但真正突出的是，我们在一个单一的实验中，在创纪录的量子比特上共同展示了所有这些特性。”[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05117-x[2]https://phys.org/news/2022-09-full-six-qubit-quantum-processor-silicon.html每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！