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硅双量子位逻辑运算实现首次保真度测试

  

       2015 年,新南威尔士大学量子大牛 Andrew Dzurak 教授曾经带领他的团队实现一项量子计算机的里程碑成果——用半导体材料硅制造出量子逻辑门 (quantum logic gate),首次使两个量子比特(quantum bits) 或者 “量子位”(qubits) 间信息计算成为可能。作为打造量子计算机的基本元件,两比特量子逻辑门的成功制造具有里程碑意义。4 年过去了,他们又在打造基于硅片的量子计算机上迈出一大步——测量了硅双量子比特操作的准确性。

       这是科学家有史以来第一次测量了硅的双量子位逻辑运算的保真度。这项非常有前景的研究结果可以扩展应用到全集成量子芯片。量子计算机的打造仍然存在几大挑战,例如如何最大限度地长时间保留其量子态叠加(这将有利于保留更长时的量子信息),如何更好地容错等等。目前我们所知的所有类型的量子比特都是非常脆弱的,因此任何微小的计算错误都可能给最终结果带来不可忽视的影响。其中最基础的一个问题是,所有的量子计算都可以由一个量子比特或双量子比特的运算完成,这些量子计算的核心计算单元能否支撑准确的运算。

       在这项研究中,该团队实施了基于“Clifford”(一种可以评估量子比特精度的技术)的保真度基准测试,研究结果证明平均两个量子比特逻辑门的保真度为 98%。论文的第一作者、新南威尔士大学电气工程专业博士生 Wister Huang 说:“我们通过确认并减少主要误差获得了高保真度,并且使得我们的双量子器件十分可靠,能够达到长逻辑门运算序列的标准,甚至可以支持 50 多个逻辑门的运算。”

       除了首次验证硅双量子比特运算的保真度以外,研究人员表示,此次成果亦进一步证明,硅作为技术平台非常适合扩展到通用量子计算上。世界各地的科学家都在致力于利用特殊材料开发新型量子计算系统,新南威尔士研究团队的一个独特之处就在于,利用传统半导体材料硅作为研究材料。

 

 

图丨双量子比特随机基准测试(来源:Nature

 

       硅作为晶体管的载体在制造计算机芯片方面具有显著优势。鉴于硅已经成为全球计算机行业近 60 年的核心元素,其性能已经得到很好的工业认可。由 Dzurak 教授团队开发的基于硅 CMOS 技术的自旋量子芯片(Spin qubits),在量子计算方面有很大的前景,有潜力利用现有的集成电路技术生成大量用于实际应用的量子比特。

       Dzurak 教授已经领导了一个项目,与澳大利亚第一家量子计算公司 Silicon Quantum Computing 来推进 CMOS 硅量子技术发展,正致力于开发一种可用于现实应用的量子芯片。