Nature：首个硅中双原子量子比特门问世，速度提升 200 倍

来源：科研圈

UNSW 研究团队创建首个硅中双原子量子比特门，能在 0.8 纳秒内完成一次操作，比目前其他基于自旋的双量子比特门快 200 倍，成为构建原子级量子计算机的一个重要里程碑。

UNSW 研究团队。图片来源：UNSW Sydney

由 2018 年澳大利亚年度人物，新南威尔士大学（UNSW）Michelle Simmons 教授领导的一群科学家已经实现了首个硅中双原子量子比特门，这是通往原子级量子计算机的一个重要里程碑。这项重要的研究成果《A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon》于 2019 年 7 月 18 日发表在顶级期刊 Nature 上。

双量子比特门是所有量子计算机的核心模块，而 UNSW 团队的版本是目前硅中最快的，它能在 0.8 纳秒内完成一个操作，比其他基于自旋的双量子比特门快约 200 倍。

在 Simmons 研究团队的方法中，一个双量子比特门是两个电子自旋之间的一次操作，类似于经典逻辑门在传统电子学中的作用。通过将两个原子量子位放在比以往任何时候都更近的位置，然后实时控制观察并测量其自旋状态，研究团队第一次建立了一个双量子比特门。

该研究团队独特的量子计算方法不仅需要在硅中放置单原子量子比特，同时还需要配备所有的相关电路来初始化、控制并读出纳米级量子比特。要实现这一构想需要超高精度的操作，因此长期以来人们认为这种方法不可能实现。但是，随着这个重大里程碑的实现，该团队现在就已经准备将他们的技术转化为可扩展处理器。

Simmons 教授指出，过去十年的研究成果完美地让研究团队拓展了“人类可能”的界限。她说：“原子量子比特保持着具有最高保真度的硅中量子比特最长相干时间的世界纪录。利用我们的独家技术，我们已经展示了以极高精度读取和初始化硅原子量子比特上单电子自旋的能力。我们也证明了，与迄今为止可连接到半导体量子比特的任何系统相比，我们原子级电路的电子噪声最低。”

Simmons 教授同时也是量子计算与通信技术卓越中心（Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology ，CQC2T）主任、硅量子计算公司（Silicon Quantum Computing Pty Ltd.，SQC）创始人。CQC2T 在硅中量子计算机研究领域处于世界领先地位，并承担光量子计算和量子信息技术的世界级研究，致力于建设一个通用量子计算机和安全通信系统。而 SQC 是澳大利亚第一家量子计算公司，一直致力于建造和商业化量子计算机，是澳大利亚研发硅基量子计算机的先驱。

此外，Simmons 教授还表示：“目前，通过在原子精度上优化设备设计的各方面，我们能够构建一个真正快速、高精度的双量子比特门，这是可扩展硅基量子计算机的基石。”

“我们确实证明了在原子尺度上控制量子是可能的，而且该方法带来革命性的改进，包括我们系统惊人的运行速度。”

UNSW 科学系系主任 Emma Johnston AO 教授说，这篇重磅论文进一步说明了 Simmons 教授的研究非常具有开创性。“这是 Michelle Simmons 团队要证明他们可以用原子量子比特制造出一台量子计算机的最后基石之一。他们的下一个主要目标是要建造一个 10 量子比特的量子集成电路，我们希望他们能够在 3 到 4 年内实现这个目标。”

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为了利用扫描隧道显微镜将磷原子精确地放置并封装在硅中，研究团队必须先计算出两个量子比特之间的最优距离，以便实施关键操作。

该研究共同作者、来自 CQC2T 的 Sam Gorman 表示：“我们的制造技术使我们有能力精准地将量子比特放在想要的位置上。这使我们能够更快地建造双量子比特门。自从上次取得突破后，我们不仅使量子比特结合得更紧密了，而且学会了在亚纳米精度下控制器件设计的各个方面以保持高保真度。”

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随后，研究团队能够测量量子比特状态的实时演变过程，而且最令人兴奋的是，研究人员展示了如何在纳秒尺度上（1 ns = 10-9 s）控制两个电子间的相互作用强度。

“重点在于，我们能够操控量子比特的电子，让它们彼此靠得更近或离得更远，有效地建立或者阻断它们相互作用，这是量子门成立的先决条件，”另一位主要共同作者 Yu He 说。

“量子比特的电子受到严格约束，这是我们方法的创新，而且我们系统固有的低噪声使我们能够展示出迄今为止硅中最快的双量子比特门。我们演示的量子门，也叫做 SWAP 门，同样也适用于在量子比特间传输量子信息，当与单量子比特门结合时，SWAP门可以执行任何量子算法。”

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此类量子比特因其持久的稳定性，可成为建设大型量子计算机的有效平台。大型量子计算机有巨大的潜力，有望改变信息经济，创造未来产业。它能在可控时间范围内解决传统计算机甚至超级计算机都难以完成的问题，将在包括机器学习、股市建模，精准医疗等领域发挥巨大作用。

Simmons 教授说，这是 20 年研究累积而成的成果，“这是一个巨大的进步，我们不仅能够在最小尺度上控制量子，在两个原子间产生相互作用，同时也可以单独地操作一个而不影响另一个，这完全不可思议。很多人从前认为这是不可能的。我们一直认为，如果我们能在这样的尺度下控制量子比特世界，量子计算将会变得更快速。事实确实如此！”

论文信息

【标题】A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon

【作者】Y. He, S. K. Gorman, D. Keith, L. Kranz, J. G. Keizer & M. Y. Simmons

【期刊】Nature

【日期、2019.07.17

【DOI】10.1038/s41586-019-1381-2

【链接】https://www.nature.com/articles/s41586-019-1381-2 

【摘要】Electron spin qubits formed by atoms in silicon have large (tens of millielectronvolts) orbital energies and weak spin–orbit coupling, giving rise to isolated electron spin ground states with coherence times of seconds1,2. High-fidelity (more than 99.9 per cent) coherent control of such qubits has been demonstrated3, promising an attractive platform for quantum computing. However, inter-qubit coupling—which is essential for realizing large-scale circuits in atom-based qubits—has not yet been achieved. Exchange interactions between electron spins4,5 promise fast (gigahertz) gate operations with two-qubit gates, as recently demonstrated in gate-defined silicon quantum dots6,7,8,9,10. However, creating a tunable exchange interaction between two electrons bound to phosphorus atom qubits has not been possible until now. This is because it is difficult to determine the atomic distance required to turn the exchange interaction on and off while aligning the atomic circuitry for high-fidelity, independent spin readout. Here we report a fast (about 800 picoseconds) SWAP−−−−−−−√ two-qubit exchange gate between phosphorus donor electron spin qubits in silicon using independent single-shot spin readout with a readout fidelity of about 94 per cent on a complete set of basis states. By engineering qubit placement on the atomic scale, we provide a route to the realization and efficient characterization of multi-qubit quantum circuits based on donor qubits in silicon.