科学探索|90后山东小伙一作登Nature封面硅量子比特里程碑保真度超99%( 二 ) 90后山东小伙一作登Nature封面

建造大型、可操作的量子计算机是一项极其雄心勃勃、又非常困难的技术任务。目前，应用最广泛的量子比特系统是由 IBM 和Google等科技巨头在其量子处理器中使用的超导电路制成的。

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目前，这些量子系统已经实现了重要的计算任务演示。Google表示，目前该公司的超导量子设备只需要大约200秒来执行计算，而相同的任务，经典超算则需要花费10000年。
不过目前这些超导量子系统相对较大，很难安装在单个冷却系统中的单个芯片上，也很难扩展到更大的设备中。
另一个问题是，它们只能在很有限的时间内保持给定的叠加态，这一时间长度称为‘相干时间’ 。相干时间受限会导致量子比特执行的计算中容易出现错误，需要开发纠错协议来减少这些错误，目前的纠错基本上是通过增加量子比特的数量，通过冗余来实现的。
研究人员提出一种超导量子比特的替代方案：电子自旋量子比特。
这种方案基于电子自旋的量子性质，相干时间较长。在该方案中，将量子比特通过一种机制形成，将单个电子与其环境隔离，确保其可访问性，并且仍可通过外加的电磁场进行控制。
最常见的方法是使用量子点，它是在两种半导体材料的界面处形成的微小陷阱。可以通过使用金属引线来设计多个量子点来创建单独的陷阱，每个陷阱都可以容纳一个电子。

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用于纠错的量子比特系统示意图。（左）通过定位两个电子实现了‘双量子比特门’，使它们的量子力学波函数重叠到一定的程度，作为量子点之间的屏障。（右）通过使用磷原子核实现了类似的目标。原子核之间的相互作用是由微波天线控制的电子介导的。
这些量子比特是在硅异质结构中制造的，该结构由夹在其他半导体之间的硅层组成，并由金属导线控制。
两个研究团队通过定位两个电子，使它们的量子力学波函数（电子的空间范围）重叠到一定程度，由作为量子点之间的屏障的电场来控制，从而实现双量子比特门。
另一个团队则使用磷原子核实现了类似的目标。原子核之间的相互作用是由微波天线控制的电子介导的。
【科学探索|90后山东小伙一作登Nature封面硅量子比特里程碑保真度超99%】在自旋量子比特的制备材料上，三个团队均选择了硅。这主要是因为硅可以被同位素纯化，它的绝大多数原子不会发生与其原子核相关的净自旋。这种自旋将与量子比特相互作用，导致量子信息的丢失。
此外，硅是用于计算机电路的常见材料，可以更加充分地利用现有纳米电子基础设施。
与经典计算中使用逻辑门类似，量子计算系统中也需要使用量子比特逻辑门。后者可以通过磁场产生，但是电子自旋和磁场的相互作用很弱。相比之下，用电场控制电子运动与自旋实现耦合，可以更快地实现控制。

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在双量子比特的门中，两个电子靠得很近，以至于量子力学波函数是重叠的。这种重叠产生了有效的自旋-自旋相互作用，如果加以小心控制，会导致量子比特的‘纠缠’，即共享一个共同的状态，不再可以独立描述。一个量子比特的状态变化取决于另一个量子比特的状态。
这种精确条件下的操作准确性有一个度量，称为‘保真度’，它需要满足量子纠错策略可行的最小阈值。以Xiao Xue和Noiri为第一作者的两个团队，都实验中成功实现了这一里程碑。

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