首次实现！硅编码自旋量子比特通用控制

光子盒研究院出品

近日，HRL实验团队发布了他们对其编码的自旋量子比特通用控制的首个演示，意味着这些量子比特可以成功地使用任何类型的量子计算算法实现。这一成果已于上月发表在Nature上。（“Universal logic with encoded spin qubits in silicon”）

这种新兴的量子计算方法使用HRL洁净室中制造的新型硅基量子比特设备架构，将单个电子捕获在量子点中。三个这样的单电子的自旋承载着能量简并的量子位状态，并由最近邻接触相互作用控制，同时这些相互作用与相邻电子的自旋状态部分交换。

编码的硅量子比特使用三个电子自旋和一个控制方案，即施加到金属栅极的电压部分地交换这些电子自旋的方向，而无需将它们对准任何特定方向。该演示涉及在百万分之几秒的过程中应用数千个精确校准的电压脉冲，彼此之间存在严格的关系。

实验使用富含同位素的硅，提供的量子相干性、部分交换操作的全电和低串扰控制以及编码对某些错误源的可配置不敏感性结合在一起，为可扩展的容错和计算优势提供了强大的途径，这是迈向商业量子计算机的主要步骤。

“除了设计和制造方面的明显挑战之外，还必须编写许多强大的软件，来调整和校准我们的控制方案。”实验第一作者Aaron Weinstein说。“我们在开发高效、自动化的程序以确定施加的电压导致多大程度的部分交换方面付出了巨大的努力。由于必须实施数以千计的此类操作才能确定错误级别，因此每个操作都必须精确。我们努力让所有这些控制都能高精度地工作。”

这在很大程度上是团队的努力，才华横溢的控制软件、理论、设备开发和制造团队的支持工作至关重要。此外，需要对设备进行多次测量，以充分了解内部物理并开发可靠控制这些量子力学相互作用的例程。

一旦大规模实现，量子计算机因为它们使用量子力学的一个脆弱特性——量子纠缠，将可以在非常短的时间内执行某些计算，而这些计算传统计算机需要数年或数十年才能完成。

在许多可能的应用中，一个示例计算是大分子模拟。描述分子中的原子只需要少量数据，但需要非常大的工作空间来计算分子中电子可能具有的所有量子力学态。量子化学模拟可以显着影响许多技术方向，从材料开发到药物发现，再到缓解气候变化的过程开发。

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