科学探索|硅自旋立方体中容错量子计算的关键因素得以实现硅自旋立方体中容错量子计算

来自日本理化学研究所和QuTech--代尔夫特理工大学和TNO之间的合作研究人员已经实现了开发容错量子计算机的一个关键里程碑。他们利用硅中的电子自旋量子比特证明了99.5%的双量子比特门的保真度--高于被认为是建立容错计算机的门槛的99%，这对大规模量子计算机来说是很有希望的，因为建造它们的纳米加工技术已经存在。
【科学探索|硅自旋立方体中容错量子计算的关键因素得以实现】

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目前，世界正处于开发大规模量子计算机的竞赛中，在某些领域，它的表现可以大大超过经典计算机。然而，这些努力受到了一些因素的阻碍，特别是包括退相干问题，或在量子比特中产生的噪音干扰。这个问题随着量子比特数量的增加而变得更加严重，阻碍了规模的扩大。为了实现可用于有用应用的大规模计算机，人们认为需要至少99%的双量子比特门保真度来实现表面编码的纠错。这在某些类型的计算机中已经实现，例如使用基于超导电路、陷落离子和钻石中的氮空穴中心的量子比特等等，但这些都很难扩展到实现实用量子计算所需的数百万个量子比特的纠错。
为了完成目前发表在《自然》杂志上的工作，该小组决定用一个量子点结构进行实验，这个量子点是通过在一个紧张的硅/硅锗量子阱衬底上的纳米加工制造的，使用一个可控-NOT（CNOT）门。在以前的实验中，由于门速度慢，门的保真度受到限制。为了提高栅极速度，他们精心设计了该装置，并通过施加在栅极电极上的电压来调整装置的运行条件，以结合使用微磁体的既定快速单旋旋转技术和大型双量子比特耦合。这使他们能够将栅极速度比以前的工作提高10倍。有趣的是，以前人们认为提高门速总是会导致更好的保真度，但他们发现有一个限制，超过这个限制，提高速度实际上会使保真度变差。
通过这项工作，他们发现一种被称为拉比频率的特性--一种标志着量子比特如何对振荡场做出反应而改变状态的特性，这是决定系统性能的关键，他们还发现了一个频率范围，在这个范围内单量子比特门的保真度为99.8%，双量子比特门的保真度为99.5%，达到了所需的阈值。
通过这一点，他们证明了可以实现通用操作，也就是说，所有构成量子操作的基本操作，包括单量子位操作和双量子位操作，都可以在门保真度高于纠错阈值的情况下进行。
为了测试新系统的能力，研究人员实施了双量子位Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。在这两种算法上都输出了正确的结果，保真度高达96-97%，表明硅量子计算机能以高精确度进行量子计算。
在同一期的《自然》杂志上，两个独立的研究小组也报告了在硅量子比特中实现的类似高保真通用量子门组的实验演示。QuTech的一个团队也使用了量子点中的电子自旋量子比特（自旋量子比特跨越表面代码阈值的量子逻辑）。新南威尔士大学悉尼分校（University of New South Wales）的另一个团队使用硅中一对离子植入的磷核作为核自旋量子比特（硅中三量子比特供体量子处理器的精确断层扫描）。