3篇量子计算里程碑论文同登Nature封面：保真度超99%，达到实用化水平
与谷歌量子技术殊途同归
晓查 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
今天的Nature期刊有些特殊，一共有3篇论文同时登上封面，实属罕见。
来自澳洲、荷兰、日本的3个不同团队，同时实现了硅量子计算的一个重要里程碑——
保真度超过99%。
该结果与谷歌Sycamore量子计算机的2量子比特保真度达到同一水平。
这意味着，近乎无错误的硅量子计算是可以实现的。硅量子计算机与谷歌IBM的超导量子计算技术一样，是实现大型量子计算机的有力候选者。
“当错误如此罕见时，就有可能检测到它们，并在它们发生时进行纠正。这表明有可能建造具有足够规模和足够能力的量子计算机，来进行有意义的计算。”
3篇论文之一的通讯作者新南威尔士大学（UNSW）的Andrea Morello教授说。
△ Andrea Morello教授
而且UNSW团队多年前已取得了另一项超过谷歌的成就：在硅量子系统中将信息保存了35秒。
这一时长是谷歌和IBM量子计算机的100万倍，而后两者的超导量子计算机仅能将信息保存100微秒。
这3项研究在开发半导体量子计算机的路上迈出了极其重要的一步。他们证明了鲁棒的、可靠的量子计算机正在成为现实。
他们是如何做到的
以USNW团队的研究为例，为了保证量子系统的保真度，他们需要解决一个矛盾的问题：
那就是既要让量子比特尽可能“与世隔绝”，以长时间正确保存信息，还要使量子比特与外界相互作用，来执行对量子计算的操控。
原子核自旋能够相当好地与外界环境隔离，之前量子信息保存35秒就是在核自旋系统中实现的。
为何让核自旋与外界相互作用，研究团队在两个磷原子核之间引入了一个电子。当两个核关联到一个电子时，就可以通过共有的电子进行交互。
△ 红色点表示磷原子核，外侧闪亮的椭圆代表电子
论文作者之一Serwan Asaad博士说：
如果您将核自旋与电子纠缠在一起，那么电子可以移动到另一个地方，并与更远地方的其他量子比特核纠缠在一起，从而开辟能够大量进行鲁棒和实用量子计算的道路。
而在硅材料中掺杂磷原子是半导体行业的基本操作（用于制造n型半导体），所以这项技术能与现在的计算机技术兼容。
最后，他们使用门集断层扫描（GST）技术精确地描述了量子操作，得出1量子比特的平均门保真度为99.95%，2量子比特平均门保真度为99.37%，2量子比特制备/测量保真度高达98.95%。
这三个指标表明，硅原子核自旋正在接近容错量子处理器所需的性能要求。
现在所有经典计算机都有某种形式的误差校正和数据冗余，但量子物理定律对量子计算机中的校正方式构成了严重限制。
论文通讯作者Morello说：
通常需要低于1%的错误率，才能应用量子纠错协议。现在已经实现这一目标，我们可以开始设计硅量子处理器，这些处理器可以可靠地扩展和运行，来进行有用的计算。
团队合作带来3篇论文
今天Nature封面的3篇论文分别实现了以下成果：
1、澳大利亚新南威尔士大学团队通过离子注入硅，在电子和两个磷原子组成的三量子比特系统上实现了1量子比特99.95%和2量子比特99.37%的保真度。
2、荷兰代尔夫特理工大学团队使用硅/硅锗合金量子点的电子自旋，实现了1量子比特99.87%和2量子比特99.65%的保真度。
3、日本RIKEN团队同样在使用硅/硅锗合金量子点的双电子系统，实现了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。
虽然各团队分别独立发表了实验结果，但是离不开他们之间广泛的学术交流，包括实验技术、材料、人员的相互流通。
△ UNSW团队，从左至右分别为Asaad Serwan博士、 Andrea Morello教授和Mateusz Madzik博士
- UNSW论文的一作Mateusz Mądzik博士，现在是代尔夫特团队的博士后；另一位Serwan Asaad博士原来是代尔夫特理工大学的学生。
- 代尔夫特团队负责人Lieven Vandersypen曾2016年在UNSW进行了为期五个月学术休假访问。
- RIKEN团队负责人Giordano Scappucci博士是UNSW的前研究员。
此外还有：
- 代尔夫特理工大学和RIKEN组使用的硅/硅锗合金量子点都是由前者制作，并在两组之间共享。
- UNSW团队使用的同位素纯化硅材料，则由日本庆应大学的Kohei Itoh教授提供。
- 论文中关键的门集断层扫描（GST）方法，是由美国Sandia国家实验室开发并公开提供。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/nature/volumes/601/issues/7893
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04273-w
[4]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
[5]https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-computing-silicon-hits-99-cent-accuracy
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