首次驗證硅雙量子比特保真度

Hamish Johnston

最近，一項由新南威爾士大學的研究人員完成的硅雙量子比特邏輯門技術，達到了98%的保真度。這是硅雙量子門首次完成保真度的驗證。雙量子比特邏輯門是制造量子計算機必備的元素，項目負責人Andrew Dzurak表示，他們正在研究一項硅量子芯片，未來將投入實際應用。

經過計算機行業數十年的辛苦研發，硅已經成為電子設備制造和集成化的理想材料。因此，硅將在量子計算機未來的發展中扮演十分重要的角色。原則上來說，量子計算機能夠超越傳統計算機完成更多種類的復雜計算。Dzurak教授表示：“所有的量子計算都由一個量子比特和兩個量子比特的運算組成，它們是量子計算的關鍵要素，當具備這兩者時就可以進行任何所需的計算，不過對兩種操作的準確性都有很高的要求。”

高保真度

為計算量子操作的保真度，首先需要測評抗脫散能力——這是一種衡量量子活動過程的實際結果與理想結果之間差距的方法。當保真度低于完美的100%， 任何較低的保真度最終都會在多重操作中，將錯誤帶入計算中。量子糾錯就可以很好地緩解脫散現象，不過大多發生在必須以高保真度開始、高成本的操作系統中。

量子糾錯是創建大規模有用量子計算的關鍵步驟，因為所有的量子位都較薄弱，而且當出現錯誤時，就需要對錯誤進行及時糾正。Dzurak教授介紹到：“我們也首次進行了自旋共振進行控制的自旋，這對我們利用自旋量子位進行量子糾錯是將是至關重要的一步，對于任何通用量子計算機都是不可或缺的。”當量子比特越精確，需要進行的糾錯就越少，進而就可以快速擴大工程和制造，以實現一臺實體大小的量子計算機。

現在，Dzurak團隊運用可旋轉硅量子點，制成可以編碼和處理量子信息的量子比特，并且驗證了可旋轉量子在運行過程中達到了98%的保真度。旋轉量子點可用于制造量子計算機中必備的不可控量子邏輯門。今年早些時候，他們實現了單個比特量子邏輯門，打破99.96%的保真度紀錄。Dzurak教授表示：“將近99%的保真度在我們預設的范圍內，可見硅是一個可行的全集成量子計算平臺。”

除此之外，研究人員還使用了Clifford 保真度基準測評評估整個系統，這是一個用于評估和比較多種不同科技范圍內的量子比特系統性能的一種技術。測試量子比特的一項重要參數是觀察量子比特抗外界噪音干擾的能力有多強，因為噪音能夠快速破壞量子信息。同時，研究人員還在解決一系列的技術問題，比如囚禁離子、超導電路和半導體量子點。

2015年，Dzurak教授團隊率先在硅片上構建量子邏輯門，因此可以在兩個量子比特信息之間進行計算，進一步清除了阻礙硅量子計算機實現的障礙。自此，全球許多科研團隊都相繼發表自己的硅雙量子比特門。其實，在這次結果發布之前，大家都不清楚雙量子比特邏輯門的準確性。準確性對量子的成功至關重要，研究人員表示：“保真度是一個關鍵參數，它決定了量子比特技術的可行性，如果量子比特操作近乎完美，量子計算只能允許極小的誤差存在。”除了首次驗證硅雙量子比特運算的保真度以外，研究人員表示此次成果進一步證明硅作為技術平臺非常適合擴展到通用量子計算上。

超過50個量子門的操作

團隊成員Wister Huang解釋到：“我們通過詳細描述和緩解主要的錯誤來源，使硅雙量子達到了很高的保真度，所以將量子門保真度提高到一定長度的隨機標準序列——超過50量子門，就可以在我們的雙量子比特器件中運行。” Dzurak 教授認為，在不久的將來他們會獲得更高的保真度，并開始全集成、高容錯的量子計算之路。目前的技術處于雙量子位精度時代的邊緣，而量子糾錯能力正好與之相稱。

經典二進制計算機存儲信息用的是：比特位（0或1）;而量子計算機憑借兩個“幽靈般”的量子物理原理：“糾纏”和“疊加”，產生出巨大的計算能力。量子計算機表示信息采用的是量子位。簡單來說，量子位是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等等），它可以同時處于“即是0和又是1”的狀態，也正是由于量子計算機一次可以存儲多個值，所以可以同時處理它們，一次執行多個操作。

未來，硅量子計算機芯片有望容納幾百萬個量子位（qubits），相對于經典計算機中的比特位（bits）來說，量子位信息處理速度更快，有利于更高速的數據搜索、更完善的網絡安全，更高效的材料和化學工藝仿真。從理論上說，量子計算機憑借量子位，可以輕松地解決過去耗時漫長才能解決的復雜計算問題，并且速度要快百萬倍。

量子計算是本世紀的太空競賽，澳洲Dzurak團隊的研究成果已經處于全球領先的地位，目前他們正計劃在將量子計算從理論范圍擴展到實際生活中。Dzurak 教授開發的以半導體元器件CMOS 技術為基礎的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子計算方面也具有良好的前景，極有可能利用現有的集成電路技術生成大量用于實際應用的量子比特。

Dzurak的團隊之前還展示了集成的硅量子位平臺可以以單自旋可尋址性操作，就是在不干擾其鄰居的情況下旋轉單個自旋的能力。現在他們已經表明，可以結合這種特殊的量子讀出過程（稱為Pauli自旋阻塞），這是量子糾錯碼的關鍵要求，對于大型的、基于自旋的量子計算機來說，量子糾錯碼是確保精度所必需的。量子比特讀出和控制技術的這種新組合是其量子芯片設計的核心特征。Dzurak表示：“我們已經展示了在硅量子比特元器件中實現Pauli自旋讀出的能力，但是第一次實驗中，我們還結合了自旋共振來控制自旋。”

全集成的量子芯片將主要應用于金融和醫療等行業，因為它可以加速制藥化合物的計算機輔助設計過程，有助于識別和開發新藥物。同時，還可以幫助開發新型更輕、更強的材料，用于飛機上的消費類電子產品。近60年來，硅元素已經成為全球計算機行業使用的核心材料，其性能已經得到廣泛的工業認可。研究小組在硅芯片上實驗性地實現了這些功能的關鍵組合，使通用量子計算機的夢想更加接近現實。

編譯自《物理世界》《自然》雜志

（責任編輯姜懿翀）