Nature |科学家实现量子态非破坏性测量，容错量子计算机的重大突破

整理: Hellen,  校对:Yoking

由日本理化研究所（RIKEN）新兴物质科学中心以及新南威尔士大学和东京工业大学的研究人员在没有改变硅量子自旋状态的情况下，成功测量了硅量子点(Quantum Dot)中电子的自旋状态，这种“非破坏”（Non-Demolition）类型的测量对于建造容错量子计算机非常重要。该成果发表在《自然通讯》上。

硅量子计算机的优势

量子计算机有望使某些类型的计算变得更加容易，而这对于经典计算机而言是极其困难且耗时的，比如多体问题（Many-Body Problems）。本质上，这涉及到测量单量子态，量子态不会像经典的晶体管那样一直处于单一二元状态，而是以“叠加态”存在，这就像薛定谔著名的猫在被观察到之前，不能说它是处于活的状态或死的状态一样。

使用这种非经典的系统，可以用叠加态为资源进行计算，然后从统计角度来确定结果是什么。在硅量子点中使用单电子自旋的量子计算机，由于其潜在的可扩展性以及硅早已被广泛用于各种电子技术而备受重视。

测量电子自旋状态的阻碍

目前，开发中的量子计算机主要的困难在于它们对外部噪声非常敏感，因此纠错至关重要。到目前为止，虽然研究人员已成功在硅量子点中开发了具有长信息保留时间和高精度量子运算的单电子自旋，但是事实证明，量子非破坏测量（有效纠错的关键）是非常困难的。常规方法读取硅中单个电子自旋是将自旋转换为可以快速检测到的电荷，但不幸的是，电子自旋会受到检测过程的影响。

测量电子自旋状态的原理

现在，在《自然通讯》上发表的研究中，科学家已经实现了这种非破坏测量。而该成果取得进展的关键是使用Ising Type Interaction Model：铁磁性模型（Ferromagnetism），该模型研究相邻原子的电子自旋如何排列，从而导致整个晶格中铁磁性的形成。而实质上，科学家们通过使用磁场中的Ising型相互作用将量子点中一个电子的自旋信息（向上或向下）转移到相邻量子点中的另一个电子，然后利用常规方法测量相邻电子的自旋，这样他们就可以在不影响电子原始自旋状态的前提下，对相邻电子进行重复而快速的测量。

a用于重复测量的量子电路。b第i次辅助测量的启动概率（为简便起见，仅显示i = 1、5、10、20 和30）和1000个事件中的最终qubit读数（q）。请注意，q的振动可见度受传感器灵敏度的影响。c第一次和第二次辅助测量的四个关节结局的概率。三角形符号代表实验数据，实线是考虑到准备和测量缺陷的模型拟合结果。

研究成果

研究小组负责人Seigo Tarucha说，通过这样的方式，他们能够实现99％的保真度，并且通过重复测量，可以得到精度为95％的读出准确率。而从理论上讲，这一比例甚至可以提高到99.6％。

更让人振奋的是，如果他们的研究成果能够与目前正在开发的高保真单量子比特门和双量子比特门相结合，那利用硅量子点平台建立各种容错量子信息处理系统就显而易见了。

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