首次驗(yàn)證硅雙量子比特保真度

Hamish Johnston

最近，一項(xiàng)由新南威爾士大學(xué)的研究人員完成的硅雙量子比特邏輯門技術(shù)，達(dá)到了98%的保真度。這是硅雙量子門首次完成保真度的驗(yàn)證。雙量子比特邏輯門是制造量子計(jì)算機(jī)必備的元素，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Andrew Dzurak表示，他們正在研究一項(xiàng)硅量子芯片，未來(lái)將投入實(shí)際應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)行業(yè)數(shù)十年的辛苦研發(fā)，硅已經(jīng)成為電子設(shè)備制造和集成化的理想材料。因此，硅將在量子計(jì)算機(jī)未來(lái)的發(fā)展中扮演十分重要的角色。原則上來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)能夠超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成更多種類的復(fù)雜計(jì)算。Dzurak教授表示：“所有的量子計(jì)算都由一個(gè)量子比特和兩個(gè)量子比特的運(yùn)算組成，它們是量子計(jì)算的關(guān)鍵要素，當(dāng)具備這兩者時(shí)就可以進(jìn)行任何所需的計(jì)算，不過(guò)對(duì)兩種操作的準(zhǔn)確性都有很高的要求。”

高保真度

為計(jì)算量子操作的保真度，首先需要測(cè)評(píng)抗脫散能力——這是一種衡量量子活動(dòng)過(guò)程的實(shí)際結(jié)果與理想結(jié)果之間差距的方法。當(dāng)保真度低于完美的100%， 任何較低的保真度最終都會(huì)在多重操作中，將錯(cuò)誤帶入計(jì)算中。量子糾錯(cuò)就可以很好地緩解脫散現(xiàn)象，不過(guò)大多發(fā)生在必須以高保真度開(kāi)始、高成本的操作系統(tǒng)中。

量子糾錯(cuò)是創(chuàng)建大規(guī)模有用量子計(jì)算的關(guān)鍵步驟，因?yàn)樗械牧孔游欢驾^薄弱，而且當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，就需要對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)糾正。Dzurak教授介紹到：“我們也首次進(jìn)行了自旋共振進(jìn)行控制的自旋，這對(duì)我們利用自旋量子位進(jìn)行量子糾錯(cuò)是將是至關(guān)重要的一步，對(duì)于任何通用量子計(jì)算機(jī)都是不可或缺的?！碑?dāng)量子比特越精確，需要進(jìn)行的糾錯(cuò)就越少，進(jìn)而就可以快速擴(kuò)大工程和制造，以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)實(shí)體大小的量子計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在，Dzurak團(tuán)隊(duì)運(yùn)用可旋轉(zhuǎn)硅量子點(diǎn)，制成可以編碼和處理量子信息的量子比特，并且驗(yàn)證了可旋轉(zhuǎn)量子在運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到了98%的保真度。旋轉(zhuǎn)量子點(diǎn)可用于制造量子計(jì)算機(jī)中必備的不可控量子邏輯門。今年早些時(shí)候，他們實(shí)現(xiàn)了單個(gè)比特量子邏輯門，打破99.96%的保真度紀(jì)錄。Dzurak教授表示：“將近99%的保真度在我們預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，可見(jiàn)硅是一個(gè)可行的全集成量子計(jì)算平臺(tái)。”

除此之外，研究人員還使用了Clifford 保真度基準(zhǔn)測(cè)評(píng)評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)，這是一個(gè)用于評(píng)估和比較多種不同科技范圍內(nèi)的量子比特系統(tǒng)性能的一種技術(shù)。測(cè)試量子比特的一項(xiàng)重要參數(shù)是觀察量子比特抗外界噪音干擾的能力有多強(qiáng)，因?yàn)樵胍裟軌蚩焖倨茐牧孔有畔?。同時(shí)，研究人員還在解決一系列的技術(shù)問(wèn)題，比如囚禁離子、超導(dǎo)電路和半導(dǎo)體量子點(diǎn)。

2015年，Dzurak教授團(tuán)隊(duì)率先在硅片上構(gòu)建量子邏輯門，因此可以在兩個(gè)量子比特信息之間進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步清除了阻礙硅量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的障礙。自此，全球許多科研團(tuán)隊(duì)都相繼發(fā)表自己的硅雙量子比特門。其實(shí)，在這次結(jié)果發(fā)布之前，大家都不清楚雙量子比特邏輯門的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性對(duì)量子的成功至關(guān)重要，研究人員表示：“保真度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了量子比特技術(shù)的可行性，如果量子比特操作近乎完美，量子計(jì)算只能允許極小的誤差存在?！背耸状悟?yàn)證硅雙量子比特運(yùn)算的保真度以外，研究人員表示此次成果進(jìn)一步證明硅作為技術(shù)平臺(tái)非常適合擴(kuò)展到通用量子計(jì)算上。

超過(guò)50個(gè)量子門的操作

團(tuán)隊(duì)成員Wister Huang解釋到：“我們通過(guò)詳細(xì)描述和緩解主要的錯(cuò)誤來(lái)源，使硅雙量子達(dá)到了很高的保真度，所以將量子門保真度提高到一定長(zhǎng)度的隨機(jī)標(biāo)準(zhǔn)序列——超過(guò)50量子門，就可以在我們的雙量子比特器件中運(yùn)行?！?Dzurak 教授認(rèn)為，在不久的將來(lái)他們會(huì)獲得更高的保真度，并開(kāi)始全集成、高容錯(cuò)的量子計(jì)算之路。目前的技術(shù)處于雙量子位精度時(shí)代的邊緣，而量子糾錯(cuò)能力正好與之相稱。

經(jīng)典二進(jìn)制計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息用的是：比特位（0或1）;而量子計(jì)算機(jī)憑借兩個(gè)“幽靈般”的量子物理原理：“糾纏”和“疊加”，產(chǎn)生出巨大的計(jì)算能力。量子計(jì)算機(jī)表示信息采用的是量子位。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子位是一個(gè)雙態(tài)量子系統(tǒng)（例如：光子偏振態(tài)或電子自旋態(tài)等等），它可以同時(shí)處于“即是0和又是1”的狀態(tài)，也正是由于量子計(jì)算機(jī)一次可以存儲(chǔ)多個(gè)值，所以可以同時(shí)處理它們，一次執(zhí)行多個(gè)操作。

未來(lái)，硅量子計(jì)算機(jī)芯片有望容納幾百萬(wàn)個(gè)量子位（qubits），相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特位（bits）來(lái)說(shuō)，量子位信息處理速度更快，有利于更高速的數(shù)據(jù)搜索、更完善的網(wǎng)絡(luò)安全，更高效的材料和化學(xué)工藝仿真。從理論上說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)憑借量子位，可以輕松地解決過(guò)去耗時(shí)漫長(zhǎng)才能解決的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題，并且速度要快百萬(wàn)倍。

量子計(jì)算是本世紀(jì)的太空競(jìng)賽，澳洲D(zhuǎn)zurak團(tuán)隊(duì)的研究成果已經(jīng)處于全球領(lǐng)先的地位，目前他們正計(jì)劃在將量子計(jì)算從理論范圍擴(kuò)展到實(shí)際生活中。Dzurak 教授開(kāi)發(fā)的以半導(dǎo)體元器件CMOS 技術(shù)為基礎(chǔ)的自旋量子芯片（Spin qubits），在量子計(jì)算方面也具有良好的前景，極有可能利用現(xiàn)有的集成電路技術(shù)生成大量用于實(shí)際應(yīng)用的量子比特。

Dzurak的團(tuán)隊(duì)之前還展示了集成的硅量子位平臺(tái)可以以單自旋可尋址性操作，就是在不干擾其鄰居的情況下旋轉(zhuǎn)單個(gè)自旋的能力。現(xiàn)在他們已經(jīng)表明，可以結(jié)合這種特殊的量子讀出過(guò)程（稱為Pauli自旋阻塞），這是量子糾錯(cuò)碼的關(guān)鍵要求，對(duì)于大型的、基于自旋的量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，量子糾錯(cuò)碼是確保精度所必需的。量子比特讀出和控制技術(shù)的這種新組合是其量子芯片設(shè)計(jì)的核心特征。Dzurak表示：“我們已經(jīng)展示了在硅量子比特元器件中實(shí)現(xiàn)Pauli自旋讀出的能力，但是第一次實(shí)驗(yàn)中，我們還結(jié)合了自旋共振來(lái)控制自旋?！?/p>

全集成的量子芯片將主要應(yīng)用于金融和醫(yī)療等行業(yè)，因?yàn)樗梢约铀僦扑幓衔锏挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程，有助于識(shí)別和開(kāi)發(fā)新藥物。同時(shí)，還可以幫助開(kāi)發(fā)新型更輕、更強(qiáng)的材料，用于飛機(jī)上的消費(fèi)類電子產(chǎn)品。近60年來(lái)，硅元素已經(jīng)成為全球計(jì)算機(jī)行業(yè)使用的核心材料，其性能已經(jīng)得到廣泛的工業(yè)認(rèn)可。研究小組在硅芯片上實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)了這些功能的關(guān)鍵組合，使通用量子計(jì)算機(jī)的夢(mèng)想更加接近現(xiàn)實(shí)。

編譯自《物理世界》《自然》雜志

（責(zé)任編輯姜懿翀）