量子计算最新突破：在硅中实现三个自旋量子比特纠缠

当前，科学家们已经在硅中完全可控的自旋量子比特阵列中实现了三个量子比特的纠缠态。

RIKEN（日本理化学研究所）的团队成员将可以纠缠的硅基自旋量子比特的数量从2个增加到了3个，突出了自旋量子比特在构造多量子比特的量子算法方面的潜力。在执行某些类型的计算时，传统计算机都束手无策，而量子计算机基于量子比特的特性可以实现求解。

被称为硅基量子点的微小硅团，虽然不如其他量子计算的技术路线成熟，但也有很多有利于构造量子比特的特点，如相干时间长、可高保真电气控制、高温操作和可扩展性好等。为了有效连接多个硅基自旋量子比特，让2个以上的量子比特实现纠缠至关重要，直到现在依然是物理学家们重点关注的一个问题。

Seigo Tarucha和RIKEN应急物质科学中心的5位同事现在已经完成了初始化实验，并测量了3个硅基量子比特阵列，发现它的保真度，也就是量子比特处于预期状态的概率非常高。此外，他们还将3个纠缠的自旋量子比特组合在一个设备中。

Tarucha解释道，该演示是扩展硅基自旋量子比特系统的能力的第一步。“当前，虽然双量子比特操作系统足以执行基本的逻辑计算，但3量子比特操作系统是扩大和实施纠错的最小单位。”

该团队的设备由硅/硅-锗异质结构上的三重量子点组成，并通过铝门进行控制。每个量子点可以容纳一个电子，其自旋向上和自旋向下状态可以编码一个量子比特，片上磁铁产生磁场梯度，将三个量子比特的共振频率分开，以便它们可以单独寻址。

研究人员首先通过实现一个双量子比特门来纠缠2个量子比特，形成一小型量子电路，这是构成量子计算设备的基本模块。然后他们通过结合第3个量子比特和门电路实现了3个量子比特的纠缠。由此产生的3个量子比特态具有88%的状态保真度，该保真度非常高，并处于可用于纠错的纠缠状态。

这个演示只是一场伟大而漫长的研究过程的开始，有助于大规模建造量子计算机。“接下来我们计划使用3个量子比特设备演示原始的纠错过程，并制造具有10个或更多量子比特的设备。”Tarucha说，“同时，我们计划开发50到100个量子比特并实施更复杂的纠错协议，为10年内大规模建造量子计算机铺路。”

参考文献“三个硅基自旋量子比特纠缠态的量子断层扫描”，作者：Kenta Takeda、Akito Noiri、Takashi Nakajima、Jun Yoneda、Takashi Kobayashi 和 Seigo Tarucha，2021 年 6 月 7 日，Nature Nanotechnology。

编译：慕一

编辑：王珩

注：本文编译自“Sci Tech Daily ”，文章中的信息或所表述的观点意见，均不代表量子前哨同意或支持。

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