容錯量子計算機取得突破 硅量子計算機可高精度量子計算

英國《自然》雜志19日連發(fā)三篇論文，來自三個團隊的科學(xué)家們在開發(fā)容錯量子計算機方面取得重要突破。他們驗證了硅雙量子位門保真度，超越了容錯計算機的閾值(99%)。研究結(jié)果證實，硅材料中強大、可靠的量子計算正在成為現(xiàn)實。研究還表明，硅量子計算機與超導(dǎo)和離子阱一樣，是實現(xiàn)大規(guī)模量子計算機研發(fā)的有前途的候選者。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究團隊在磷供體形成的兩個核自旋之間創(chuàng)建了雙量子位通用量子邏輯運算，通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的離子注入方法將其引入硅中。他們使用一種被稱為“量子門集層析成像(GST)”的方法，對其量子處理器的性能進行了驗證，實現(xiàn)了高達99.95%的單量子位保真度和99.37%的雙量子位保真度。此外，根據(jù)研究結(jié)果，電子自旋本身就是一個量子位，可和兩個原子核糾纏在一起，形成一個三量子位的量子糾纏態(tài)，這一保真度達到了92.5%。這為大型硅基量子處理器在現(xiàn)實世界中的制造和應(yīng)用鋪平了道路。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究團隊使用由硅和硅鍺合金堆棧形成的材料創(chuàng)造了一個雙量子位系統(tǒng)，其中量子信息被編碼在限制于量子點的電子自旋中，最終實現(xiàn)99.87%的單量子位保真度和99.65%的雙量子位保真度。

日本理化學(xué)研究所的研究團隊采取了類似的路線，使用代爾夫特團隊生產(chǎn)的相同材料堆棧，創(chuàng)建了雙電子量子位，實現(xiàn)了99.8%的單量子位保真度和99.5%的雙量子位保真度。研究結(jié)果首次使自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導(dǎo)電路和離子陷阱相抗衡。

來自荷蘭和日本的研究團隊在合作實驗過程中發(fā)現(xiàn)，一種名為拉比頻率的屬性是量子計算機系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。他們還發(fā)現(xiàn)了一個頻率范圍，其中單量子位門保真度為99.8%，雙量子位門保真度為99.5%，達到了所需的閾值。

研究人員證明了他們可實現(xiàn)通用運算，這意味著構(gòu)成量子運算的所有基本運算，包括單量子位運算和雙量子位運算，都可在高于糾錯閾值的門保真度下執(zhí)行。

為了測試新系統(tǒng)的性能，研究人員還采用了雙量子位的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。這兩種算法都能以96%—97%的高保真度輸出正確的結(jié)果，表明硅量子計算機可進行高精度的量子計算。

總編輯圈點

目前，世界正處于一場大型量子計算機的開發(fā)競賽中，然而科學(xué)家的努力受到了一些因素的阻礙，比如消相干問題，即量子位元中產(chǎn)生的噪聲。這個問題隨著量子位數(shù)量增加會變得更嚴(yán)重，阻礙了規(guī)模的擴大。因此，為了實現(xiàn)可應(yīng)用的大型計算機，科學(xué)家設(shè)定了至少99%的雙量子位門保真度。現(xiàn)在，這已經(jīng)在某些類型的計算機上實現(xiàn)了，可以說，科學(xué)家正在跨越硅量子計算機面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。(科技日報實習(xí)記者 張佳欣)

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