新南威尔士大学悉尼分校领导的研究为用于实际制造和应用的大型硅量子处理器铺平了道路。澳大利亚研究人员已经证明，几乎无错误的量子计算是可能的，为构建与当前半导体制造技术兼容的硅基量子设备铺平了道路。

用于容纳量子处理器的硅纳米电子设备是使用与现有计算机芯片的行业标准兼容的方法构建的。（作者在硅纳米电子器件中使用一对离子注入的 31P 原子核演示了通用量子逻辑操作。该器件是使用与所有现有计算机芯片的行业标准工艺兼容的方法制造的）。图片来源：托尼·梅洛夫/新南威尔士大学

“在《自然》杂志上发表的文章表明，我们的操作 99% 没有错误，”领导这项工作的新南威尔士大学安德里亚·莫雷洛教授说。

当错误如此罕见时，就有可能检测到它们并在它们发生时纠正它们。这表明有可能建造具有足够规模和足够能力的量子计算机来处理有意义的计算。这项研究是我们实现目标的旅程中的一个重要里程碑。

硅中的量子计算达到 99% 的门槛

莫雷洛的论文是1月19日发表在《自然》杂志上的三篇论文之一，它们独立证实了强大、可靠的硅量子计算现已成为现实。这一突破性的特点出现在期刊的封面上。

Morello 等人实现了高达 99.95% 的 1-qubit 操作保真度和 99.37% 的 2-qubit 保真度，其三量子位系统由一个电子和两个磷原子组成，通过离子注入引入硅中。

由 Lieven Vandersypen 领导的荷兰代尔夫特团队使用由硅和硅锗合金 (Si/SiGe) 堆叠形成的量子点中的电子自旋，实现了 99.87% 的 1-qubit 和 99.65% 的 2-qubit 保真度。

由 Seigo Tarucha 领导的日本 RIKEN 团队在使用 Si/SiGe 量子点的双电子系统中同样实现了 99.84% 的 1-qubit 和 99.51% 的 2-qubit 保真度。

新南威尔士大学三量子位系统的可视化，它可以以超过 99% 的准确度执行量子逻辑运算。（量子操作保真度在 99% 以上是在三量子位硅量子处理器中获得的。前两个量子位（Q1、Q2）是单独注入的磷原子（红色球体）的核自旋。第三个量子位（Q3）是环绕两个原子核的电子的自旋（闪亮的椭圆））。图片来源：托尼·梅洛夫/新南威尔士大学

新南威尔士大学和代尔夫特团队使用一种称为门集断层扫描的复杂方法对其量子处理器的性能进行了认证，该方法由美国桑迪亚国家实验室开发，并向研究界公开。

莫雷洛之前曾证明，由于核自旋与环境的极端隔离，他可以在硅中保存量子信息35 秒。

LR Asaad、Morello、Madzik（合成图像）：Serwan Asaad、Andrea Morello 和 Mateusz Mądzik 是新南威尔士大学论文的主要作者，该论文展示了 99% 的无错误量子操作。图片来源：Kearon de Clouet / UNSW

“在量子世界中，35 秒是永恒的，”莫雷洛教授说。“作为比较，在著名的谷歌和 IBM 超导量子计算机中，生命周期约为 100 微秒——短了近一百万倍。”

但权衡的是，隔离量子比特使它们似乎不可能相互交互，这是执行实际计算所必需的。

这三个量子比特可以在量子纠缠状态下制备，从而释放量子计算机的指数能力。（核自旋是非常好的量子比特，因为它们与环境非常隔离。然而，同样的特征使得它们难以交互和执行量子逻辑操作。该团队的突破在于使用普通电子来介导相互作用，导致高保真通用量子逻辑运算。此外，电子本身是高质量的量子比特，可以与两个原子核处于完全量子纠缠状态）。图片来源：托尼·梅洛夫/新南威尔士大学

核自旋学会准确地相互作用

研究论文描述了他的团队如何通过使用包含两个磷原子核的电子来克服这个问题。

“如果你有两个与同一个电子相连的原子核，你可以让它们进行量子操作，”主要实验作者之一 Mateusz Mądzik 博士说。

“虽然你不操作电子，但这些原子核安全地存储了它们的量子信息。但现在你可以选择让它们通过电子相互交谈，以实现可以适应任何计算问题的通用量子操作。”

“这确实是一种解锁技术，”另一位主要实验作者 Serwan Asaad 博士说：“核自旋是核心量子处理器。如果你将它们与电子纠缠在一起，那么电子就可以被移动到另一个地方并与更远的其他量子比特核纠缠在一起，从而为制造能够坚固耐用的大型量子比特阵列开辟了道路。有用的计算。”

墨尔本大学研究负责人 David Jamieson 补充道：“磷原子是通过离子注入技术引入到硅芯片中的，这与所有现有的硅计算机芯片中使用的方法相同。这确保了我们的量子突破与更广泛的半导体兼容行业。”

所有现有的计算机都部署了某种形式的纠错和数据冗余，但量子物理定律对如何在量子计算机中进行纠错提出了严格的限制。

Morello 教授解释说：“您通常需要低于 1% 的错误率才能应用量子纠错协议。现在已经实现了这一目标，我们可以开始设计硅量子处理器，该处理器可扩展并可靠地运行以进行有用的计算。”