硅基量子计算机即将成为可能。
近日，《自然》(Nature)在封面连刊三篇论文，3个不同团队的研究人员验证了硅双量子位门保真度，均达到99%以上，超越了量子计算的容错阈值。研究结果证实，硅材料中强大、可靠的量子计算正在成为现实，有助于建造与当前半导体技术兼容的硅基量子器件。
《自然》(Nature)封面，图片来自Nature
使用核自旋的硅基量子计算
核自旋是最早被考虑用于量子信息处理的物理平台之一，因为它们具有卓越的量子相干性和原子尺度的轨迹。但因缺乏将核量子位连接到可拓展的量子器件，并保持足够的保真度来维持容错量子计算的方法，核自旋在量子计算方面的潜力尚待发掘。
澳大利亚新南威尔士大学研究团队在磷供体形成的两个核自旋之间创建了双量子位通用量子逻辑运算，通过行业标准的离子注入方法,将其引入硅纳米电子器件中。他们使用一种称为“量子门集层析成像（GST）”的方法，对其量子处理器的性能进行了验证，实现了高达99.95%的单量子位门保真度、99.37%的双量子位门保真度和98.95%的双量子位准备/测量保真度。三项数据表明，硅中的核自旋接近容错量子计算机所要求的性能。
研究人员证明了通用量子运算的可实现性，这意味着构成量子运算的所有基本运算，包括单量子位运算和双量子位运算，均可在高于容错阈值的保真度下执行。
此外，据研究结果，电子自旋本身就是一个量子位，可与两个原子核纠缠，形成一个三量子位的量子纠缠态，保真度达到92.5%。这为实现使用电子自旋与核自旋的硅基量子计算机提供了可行方法。
三量子位的量子纠缠态，红点为磷原子的量子位，闪亮的椭圆为电子自旋，图片来自新南威尔士大学
基于电子自旋的硅基量子计算
达到99%以上的双量子位门保真度一直是半导体自旋量子位的主要目标。
量子位的高保真度控制对于量子计算的可靠执行和容错能力至关重要。容错能力是一种可以比错误发生的速度更快纠错的能力。
荷兰代尔夫特理工大学研究团队使用由硅和硅锗合金堆栈形成的材料，创造了一个双量子位系统。其中，量子信息被编码在限制于量子点的电子自旋中，并最终实现了99.87%的单量子位保真度和99.65%的双量子位保真度。即使在加入相邻量子位的串扰和空转误差后，平均单量子位门的保真度仍高于99%。
团队使用变分量子本征求解算法(VQE)来执行运算，并达到99%以上的双量子位门保真度。这有利于半导体量子位在容错量子计算方面发挥作用，未来可能应用在中等规模的量子器件上。
双量子位器件和对称运算点
硅自旋量子位的量子计算
日本理化学研究所的研究团队采用了代尔夫特团队生产的相同材料堆栈，在硅自旋量子位中，通过微磁体诱导的梯度场和可调谐双量子位耦合的快速电气控制，并采用双量子位的Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法，实现了99.8%的单量子位保真度和99.5%的双量子位保真度。
容错量子计算机依赖于量子纠错，其要求通用量子位门保真度超过容错阈值(99%)。以往，在众多的量子位平台中，只有超导电路、离子阱和钻石中的氮-空位中心才能满足这一要求。
而硅中的电子自旋量子位由于其纳米制造能力，对于大规模量子计算机的研发很有前景。但由于运行缓慢，其双量子位门保真度一直被限制在98%内。
上述研究结果首次使硅自旋量子位在通用量子控制性能方面与超导电路和离子阱等相抗衡。这意味着硅量子计算机能够进行高精度的量子计算。
双量子位系统
研究还表明，硅量子计算机与超导电路和离子阱一样，是实现大规模量子计算机的最佳候选之一。
此前，我国研究团队也已发现硅基自旋量子位的优势。中国科学技术大学郭光灿院士团队与美国、澳大利亚研究人员及本源量子共同合作，实现硅基自旋量子位的超快操控，自旋翻转速率超过540MHz——是目前国际上已报道的最高值，研究论文发表在1月11日的《自然⋅通讯》期刊上。
