科学探索|RIKEN科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态 RIKEN科学家发现硅片上的三量子

在许多类型的任务上，量子计算机有望在未来某一天大举超越传统计算机。尽管当前仍面临着许多亟需克服的困难，日本理化研究所（RIKEN）的一支科学家团队，还是找到了通往未来量子计算大门的一项新突破。在近日发表于《自然纳米科学》期刊上的一篇文章中，其详细介绍了在硅片上发现的三量子比特纠缠态。

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新器件的扫描电子显微镜（伪彩色）图像，来自：RIKEN。
据悉，量子计算机利用了奇特的量子物理学原理，来大幅提升计算机的处理能力和速度。相关信息以类似于传统计算机的“比特”方式来存储，但“量子比特”还拥有一些意想不到的操纵方式。
【科学探索|RIKEN科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态】得益于“量子纠缠”特性，当你检查其中一个粒子属性时，就可对应推断出一个（或多个）伙伴粒子的属性，且处于纠缠态的粒子无论相隔多远都会受到对应影响。

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研究配图 - 1：设备与实验设置
在量子计算机中，纠缠量子比特使得数据能够被更快地传输和处理、并改进了纠错。且在大多数时候，量子比特都是成对纠缠的。然而现在， RIKEN 研究团队已经首次发现了硅片上的三量子比特纠缠态。
在这种情况下，量子比特由被称作量子点的小硅圆组成。作为量子计算机中量子比特的主要候选者之一，硅片已经在电子产品中得到了广泛应用。
但更重要的是，这些量子点在很长一段时间内都是稳定的，能够精确控制、在更高的温度下运行、且可以相对简单地缩放规模。
三量子比特纠缠态能够更好地实现这一目的，且过去已有研究成功地将三个光子纠缠到一起。只是到目前为止，业界一直认为它们是可望而不可及的。

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研究配图 - 2：单个量子比特 / 受控相位操作
研究一作 Seigo Tarucha 表示：“双量子位操作足以执行基本的逻辑计算，但三量子位系统是扩大是实施纠错的最小单位” 。
好消息是，由 RIKEN 新兴物质研究所打造的三量子点装置，就通过铝门控制实现了独特的操作。
每个量子点都包含了一个电子，可通过其自旋状态来代表二进制的 0 或 1 ，而无论其在给定时间是向上或向下。
此外磁场梯度使量子比特的共振频率保持分离，因而支持它们的单独寻址。

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研究配图 - 3：三量子比特纠缠的生成与测量
为了让三个量子比特纠缠在一起，研究团队先是使用被称作“双量子位门”的量子计算机公共单元，然后将第三个量子比特与该门纠缠在一起。
由此产生的三量子比特阵列具有 88% 的高保真度，表明量子比特在测量时处于“正确”状态的概率。研究团队补充道：这种强大的纠缠，能够被很好地运用于纠错。
因为在量子计算机中，量子比特倾向于随机翻转状态、并丢失其存储的信息。而在传统计算机上运行良好的校正方法，并不适用于新奇的量子系统。