UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES

来源：IEEE电气电子工程师

来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）、日本理化学研究所（Riken）和悉尼新南威尔士大学（UNSW）的研究团队在硅中开发了不同的量子器件，其操作保真度大于99%。他们的研究分别于1月20日发表在《自然》杂志上。前两个团队使用两个电子的自旋来获得结果，而澳大利亚的研究人员使用两个原子核和一个电子的自旋。

新南威尔士大学电气工程与电信学院教授Andrea Morello解释说，他的团队实现了1量子位（qubit）核自旋运算，保真度高达99.95%，在3量子位系统中实现了2量子位运算，精确度高达99.37%。

加州大学圣巴巴拉分校物理学教授John Martinis和谷歌Sycamore量子处理器的前首席设计师评论了这一突破。注意到99%的保真度代表了纠错的阈值，这是一个长期目标。当然，保真度需要提高，但这项研究是证明量子比特可以被精确控制的重要一步。

Morello说：“当错误率如此之低时，可以成功地检测和纠正错误。”

他补充说，使用原子核自旋的优点是它们具有极高的保真度。“我们在2015年证明，利用硅原子核的自旋，我们可以获得99.99%的量子比特操作精度，因为这些原子核与其他地方不相互作用。更重要的是，这种隔离使原子核能够将其量子信息保存35秒——“与谷歌和IBM超导量子计算机获得的大约100微秒相比，这是一个永恒的时间，”Morello说。

然而，这种方法的讽刺之处在于，绝对隔离也意味着原子核彼此隔离，因此无法执行超过一个量子位的操作。但现在，正如他们在《自然》杂志上的最新论文所描述的，研究人员已经通过将两个离子化磷原子注入硅衬底并在它们之间插入一个电子来克服这一障碍。原子都是负一个电子，使它们带正电，因此能够被加速。

Morello说：“电子将自己包裹在两个原子核周围，然后我们利用磁共振将其旋转360度。磁共振是一种常见的技术，可以将负号传递给电子旋转所依赖的原子核状态。”实际上，如果第一个原子核指向下，这种电子旋转会导致第二个原子核的自旋旋转。但是如果第一个原子核指向上，第二个原子核就不会移动。（有关详细信息，请参阅下面的视频。）

这构成了一个2量子位逻辑运算，再加上1量子位逻辑运算，“给了我们所谓的通用门集，” Morello说。“这意味着现在可以使用这些操作序列创建任何可计算函数。”

为了测量量子位的保真度，研究人员使用了阿尔伯克基桑迪亚国家实验室开发的一种称为门集层析成像（gate set tomography，GST）的技术。GST进行各种测量，然后综合结果，生成逻辑门的高分辨率图像，对于UNSW量子位，这证明了它们的错误率的操作准确性。

Morello表示，除了产生保真度高达99%以上的通用核操作外，旋转电子还可以用来创建所有三个量子位的纠缠态。这一点很重要，因为电子可以与其他电子纠缠在一起，而这些电子本身也可以与自己的原子核纠缠在一起，这种纠缠可以一次又一次地重复。“所以这就像一扇通往可伸缩量子计算机的大门，” Morello说。

Martinis说：“要建立一个复杂的量子系统，你必须扩大量子位的数量，并证明你可以打开和关闭各种量子位-量子位相互作用，同时仍然保持量子门的准确性。下一步就是建立这样一个复杂的系统。”

Morello也承认了关于未来的挑战。他指出，要构建一个完全受错误保护的逻辑量子位，可以对一个量子位的信息进行编码，需要额外的几千个量子位连接在一起，这样每当发生错误时（例如，其中一个自旋的意外旋转），就可以检测并纠正错误。尽管如此，他补充说，这样的任务可能不像最初看起来那么艰巨。他参与了在澳大利亚墨尔本大学进行的研究，该技术完善了使用模板或可移动掩模和原子力显微镜的技术，一次一次地嵌入硅衬底中的单个原子，该高精度可用于创建量子位微处理器。这项工作于去年10月发表在了《高级材料》杂志上。

Morello说：“这项技术将使我们能够在规则的位置制造大型原子阵列，类似于传统半导体中的晶体管。”换句话说，尽管他也清楚还有更多的工作要做，但他相信，创造一台可靠、可扩展的通用量子计算机所需的所有“拼图”都已准备就绪。

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