首次验证硅双量子比特保真度

Hamish Johnston

最近，一项由新南威尔士大学的研究人员完成的硅双量子比特逻辑门技术，达到了98%的保真度。这是硅双量子门首次完成保真度的验证。双量子比特逻辑门是制造量子计算机必备的元素，项目负责人Andrew Dzurak表示，他们正在研究一项硅量子芯片，未来将投入实际应用。

经过计算机行业数十年的辛苦研发，硅已经成为电子设备制造和集成化的理想材料。因此，硅将在量子计算机未来的发展中扮演十分重要的角色。原则上来说，量子计算机能够超越传统计算机完成更多种类的复杂计算。Dzurak教授表示：“所有的量子计算都由一个量子比特和两个量子比特的运算组成，它们是量子计算的关键要素，当具备这两者时就可以进行任何所需的计算，不过对两种操作的准确性都有很高的要求。”

高保真度

为计算量子操作的保真度，首先需要测评抗脱散能力——这是一种衡量量子活动过程的实际结果与理想结果之间差距的方法。当保真度低于完美的100%， 任何较低的保真度最终都会在多重操作中，将错误带入计算中。量子纠错就可以很好地缓解脱散现象，不过大多发生在必须以高保真度开始、高成本的操作系统中。

量子纠错是创建大规模有用量子计算的关键步骤，因为所有的量子位都较薄弱，而且当出现错误时，就需要对错误进行及时纠正。Dzurak教授介绍到：“我们也首次进行了自旋共振进行控制的自旋，这对我们利用自旋量子位进行量子纠错是将是至关重要的一步，对于任何通用量子计算机都是不可或缺的。”当量子比特越精确，需要进行的纠错就越少，进而就可以快速扩大工程和制造，以实现一台实体大小的量子计算机。

现在，Dzurak团队运用可旋转硅量子点，制成可以编码和处理量子信息的量子比特，并且验证了可旋转量子在运行过程中达到了98%的保真度。旋转量子点可用于制造量子计算机中必备的不可控量子逻辑门。今年早些时候，他们实现了单个比特量子逻辑门，打破99.96%的保真度纪录。Dzurak教授表示：“将近99%的保真度在我们预设的范围内，可见硅是一个可行的全集成量子计算平台。”

除此之外，研究人员还使用了Clifford 保真度基准测评评估整个系统，这是一个用于评估和比较多种不同科技范围内的量子比特系统性能的一种技术。测试量子比特的一项重要参数是观察量子比特抗外界噪音干扰的能力有多强，因为噪音能够快速破坏量子信息。同时，研究人员还在解决一系列的技术问题，比如囚禁离子、超导电路和半导体量子点。

2015年，Dzurak教授团队率先在硅片上构建量子逻辑门，因此可以在两个量子比特信息之间进行计算，进一步清除了阻碍硅量子计算机实现的障碍。自此，全球许多科研团队都相繼发表自己的硅双量子比特门。其实，在这次结果发布之前，大家都不清楚双量子比特逻辑门的准确性。准确性对量子的成功至关重要，研究人员表示：“保真度是一个关键参数，它决定了量子比特技术的可行性，如果量子比特操作近乎完美，量子计算只能允许极小的误差存在。”除了首次验证硅双量子比特运算的保真度以外，研究人员表示此次成果进一步证明硅作为技术平台非常适合扩展到通用量子计算上。

超过50个量子门的操作

团队成员Wister Huang解释到：“我们通过详细描述和缓解主要的错误来源，使硅双量子达到了很高的保真度，所以将量子门保真度提高到一定长度的随机标准序列——超过50量子门，就可以在我们的双量子比特器件中运行。” Dzurak 教授认为，在不久的将来他们会获得更高的保真度，并开始全集成、高容错的量子计算之路。目前的技术处于双量子位精度时代的边缘，而量子纠错能力正好与之相称。

经典二进制计算机存储信息用的是：比特位（0或1）;而量子计算机凭借两个“幽灵般”的量子物理原理：“纠缠”和“叠加”，产生出巨大的计算能力。量子计算机表示信息采用的是量子位。简单来说，量子位是一个双态量子系统（例如：光子偏振态或电子自旋态等等），它可以同时处于“即是0和又是1”的状态，也正是由于量子计算机一次可以存储多个值，所以可以同时处理它们，一次执行多个操作。

未来，硅量子计算机芯片有望容纳几百万个量子位（qubits），相对于经典计算机中的比特位（bits）来说，量子位信息处理速度更快，有利于更高速的数据搜索、更完善的网络安全，更高效的材料和化学工艺仿真。从理论上说，量子计算机凭借量子位，可以轻松地解决过去耗时漫长才能解决的复杂计算问题，并且速度要快百万倍。

量子计算是本世纪的太空竞赛，澳洲Dzurak团队的研究成果已经处于全球领先的地位，目前他们正计划在将量子计算从理论范围扩展到实际生活中。Dzurak 教授开发的以半导体元器件CMOS 技术为基础的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子计算方面也具有良好的前景，极有可能利用现有的集成电路技术生成大量用于实际应用的量子比特。

Dzurak的团队之前还展示了集成的硅量子位平台可以以单自旋可寻址性操作，就是在不干扰其邻居的情况下旋转单个自旋的能力。现在他们已经表明，可以结合这种特殊的量子读出过程（称为Pauli自旋阻塞），这是量子纠错码的关键要求，对于大型的、基于自旋的量子计算机来说，量子纠错码是确保精度所必需的。量子比特读出和控制技术的这种新组合是其量子芯片设计的核心特征。Dzurak表示：“我们已经展示了在硅量子比特元器件中实现Pauli自旋读出的能力，但是第一次实验中，我们还结合了自旋共振来控制自旋。”

全集成的量子芯片将主要应用于金融和医疗等行业，因为它可以加速制药化合物的计算机辅助设计过程，有助于识别和开发新药物。同时，还可以帮助开发新型更轻、更强的材料，用于飞机上的消费类电子产品。近60年来，硅元素已经成为全球计算机行业使用的核心材料，其性能已经得到广泛的工业认可。研究小组在硅芯片上实验性地实现了这些功能的关键组合，使通用量子计算机的梦想更加接近现实。

编译自《物理世界》《自然》杂志

（责任编辑姜懿翀）