科学探索|日本理化研究所科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态日本理化研究所科学家发现硅

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。
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。
【科学探索|日本理化研究所科学家发现硅片上的三量子比特纠缠态】相比之下，其它量子芯片设计需要使用九个量子比特的网格来相互监视，而 IBM 的纠错方案更是使用了非纠缠的量子比特，来检查邻近量子比特的状态。