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(lái)自三個(gè)團隊的科學(xué)家們在開(kāi)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(mén)保真度，超越了容錯計算機的閾值(99%)。研究結果證實(shí)，硅材料中強大、可靠的量子計算正在成為現實(shí)。研究還表明，硅量子計算機與超導和離子阱一樣，是實(shí)現大規模量子計算機研發(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(gè)核自旋之間創(chuàng )建了雙量子位通用量子邏輯運算，通過(guò)行業(yè)標準的離子注入方法將其引入硅中。他們使用一種被稱(chēng)為“量子門(mén)集層析成像(GST)”的方法，對其量子處理器的性能進(jìn)行了驗證，實(shí)現了高達99.95%的單量子位保真度和99.37%的雙量子位保真度。此外，根據研究結果，電子自旋本身就是一個(gè)量子位，可和兩個(gè)原子核糾纏在一起，形成一個(gè)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實(shí)世界中的制造和應用鋪平了道路。

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(gè)雙量子位系統，其中量子信息被編碼在限制于量子點(diǎn)的電子自旋中，最終實(shí)現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(lèi)似的路線(xiàn)，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(shí)現了99.8%的單量子位保真度和99.5%的雙量子位保真度。研究結果首次使自旋量子位在通用量子控制性能方面與超導電路和離子陷阱相抗衡。

來(lái)自荷蘭和日本的研究團隊在合作實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，一種名為拉比頻率的屬性是量子計算機系統性能的關(guān)鍵。他們還發(fā)現了一個(gè)頻率范圍，其中單量子位門(mén)保真度為99.8%，雙量子位門(mén)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(shí)現通用運算，這意味著(zhù)構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(mén)保真度下執行。

為了測試新系統的性能，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果，表明硅量子計算機可進(jìn)行高精度的量子計算。

總編輯圈點(diǎn)

目前，世界正處于一場(chǎng)大型量子計算機的開(kāi)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(wèn)題，即量子位元中產(chǎn)生的噪聲。這個(gè)問(wèn)題隨著(zhù)量子位數量增加會(huì )變得更嚴重，阻礙了規模的擴大。因此，為了實(shí)現可應用的大型計算機，科學(xué)家設定了至少99%的雙量子位門(mén)保真度?，F在，這已經(jīng)在某些類(lèi)型的計算機上實(shí)現了，可以說(shuō)，科學(xué)家正在跨越硅量子計算機面臨的關(guān)鍵挑戰。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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