有史以来第一次，研究人员测量了硅中两量子位逻辑运算的可信度（也就是精确度）并得到了非常有希望的结果，这将使其能够扩展到一个全尺寸的量子处理器。这项研究由新南威尔士大学工程学教授安德鲁·祖拉克团队进行，于2019年5月13日发表在世界著名的《自然》期刊上。实验由电气工程专业大四博士生黄伟(Wister Huang)和新南威尔士大学高级研究员杨亨利(Henry Yang)博士共同完成。
所有量子计算都可以由一个量子位运算和两个量子位运算组成——它们是量子计算的核心构件。一旦有了这些，就可以执行任何你想要的计算——但是这两种运算的精度都需要非常高。2015年Dzurak的团队第一个在硅上建立量子逻辑门，使两个量子位信息之间的计算成为可能，从而清除了使硅量子计算机成为现实的一个关键障碍。自那以后，世界各地的许多研究小组已经在硅材料中演示了双量子门，但直到这篇具有里程碑意义的论文发表之前，这种双量子门的真正准确性还不为人知。
精确是量子成功的关键
保真度是一个关键参数，它决定了量子比特技术的可行性——只有在量子比特运算近乎完美、误差很小的情况下，才能利用量子计算的巨大能力。在这项研究中，该团队实现并执行了基于克利夫福德的保真度基准测试(一种可以评估所有技术平台上的量子位精度的技术)，显示平均双量子位栅保真度为98%。论文的第一作者Wister Huang表示：我们通过描述和减少主要误差源，实现了如此高的保真度，从而提高了门的可信度，达到了可以在我们的双量子位元设备上执行显著长度的随机基准序列(超过50个门操作)程度。
新南威尔士大学悉尼分校研究小组:Andrew Dzurak教授，Wister Huang先生，Henry Yang博士。图片：UNSW Sydney
由于量子计算机能够以更快的速度进行复杂得多的计算，包括解决当今计算机根本无法解决的问题，因此它在未来将有广泛的重要应用。Dzurak教授说：但是对于大多数重要的应用程序，将需要数百万个量子位元，而且必须纠正量子错误，即使它们很小。为了使误差校正成为可能，量子位元本身首先必须非常精确——因此评估它们的保真度是至关重要。量子位元越精确，需要的就越少——因此，就能越快地提升工程和制造水平，实现全尺寸的量子计算机。
硅被证实是未来的发展方向
研究人员表示，这项研究进一步证明，硅作为一种技术平台，是扩展到通用量子计算所需大量量子位元的理想选择。考虑到硅在全球计算机行业的核心地位已近60年，其特性已经得到了很好的理解，现有的硅芯片生产设施可以很容易地适应这项技术。如果保真值过低，就会给硅量子计算的未来带来严重问题。它接近99%的事实使它处于我们所需要的范围内，而且有进一步改进的良好前景。正如预测的那样，研究结果立即表明，硅是一个可行的平台，可以进行全面的量子计算发展。
在不久的将来，将实现显著更高的可靠性，为全面、容错的量子计算开辟道路。我们现在正处在两量子位精度的边缘，这一精度足以进行量子误差校正。在另一篇发表在《自然电子》(Nature Electronics)期刊上并以其封面为特色的论文(杨博士是该论文的主要作者)中，同一个团队还创造了世界上硅量子点中最精确的1-量子位门记录，保真度高达99.96%。除了硅量子位的天然优势，能够取得如此令人印象深刻成果的一个关键原因是在新南威尔士大学拥有出色的团队。
研究论文其他作者还包括新南威州大学的研究人员托莫·坦图、罗斯·莱昂、费·哈德逊、安德里亚·莫雷罗和阿恩·劳希特，以及Dzurak团队的前成员陈国伟、巴斯·汉森、迈克尔·福格蒂和黄建生，而日本庆应大学的Kohei Itoh教授为该项目提供了同位素含量丰富的硅片。
新南威尔士大学工程系主任马克·霍夫曼教授说：这一突破再次证明，这个世界领先的团队正在把量子计算从理论跨越到现实，量子计算是本世纪的太空竞赛，这一里程碑是实现大规模量子计算机的又一个步骤。它强化了一个事实，即硅是一种极具吸引力的方法，基于硅CMOS技术的自旋量子位元。
由Dzurak教授团队开发的特定方法，由于其较长的相干时间和利用现有集成电路技术制造大量实际应用所需的量子位元潜力，在量子计算方面有很大的前景。Dzurak教授领导了一个项目，利用澳大利亚第一家量子计算公司硅量子计算来推进硅CMOS量子比特技术。一个全尺寸的量子处理器将在金融、安全和医疗领域有重要的应用——它将通过大大加快药物化合物的计算机辅助设计来帮助识别和开发新药，它将有助于开发新的、更轻、更坚固的材料，从消费电子产品到飞机，以及在大型数据库中更快地搜索信息。
博科园｜研究/来自：新南威尔士大学
参考期刊《自然》,《Nature Electronics》
DOI: 10.1038/s41586-019-1197-0
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