3篇量子计算里程碑论文同登Nature封面：保真度超99%达实用化水平

今天的Nature期刊有些特殊，一共有3篇论文同时登上封面，实属罕见。

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今天的Nature期刊有些特殊，一共有3篇论文同时登上封面，实属罕见。

来自澳洲、荷兰、日本的3个不同团队，同时实现了硅量子计算的一个重要里程碑——

保真度超过99%。

该结果与谷歌Sycamore量子计算机的2量子比特保真度达到同一水平。

这意味着，近乎无错误的硅量子计算是可以实现的。硅量子计算机与谷歌IBM的超导量子计算技术一样，是实现大型量子计算机的有力候选者。

“当错误如此罕见时，就有可能检测到它们，并在它们发生时进行纠正。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，来进行有意义的计算。”

3篇论文之一的通讯作者新南威尔士大学（UNSW）的Andrea Morello教授说。

△ Andrea Morello教授

而且UNSW团队多年前已取得了另一项超过谷歌的成就：在硅量子系统中将信息保存了35秒。

这一时长是谷歌和IBM量子计算机的100万倍，而后两者的超导量子计算机仅能将信息保存100微秒。

这3项研究在开发半导体量子计算机的路上迈出了极其重要的一步。他们证明了鲁棒的、可靠的量子计算机正在成为现实。

他们是如何做到的

以USNW团队的研究为例，为了保证量子系统的保真度，他们需要解决一个矛盾的问题：

那就是既要让量子比特尽可能“与世隔绝”，以长时间正确保存信息，还要使量子比特与外界相互作用，来执行对量子计算的操控。

原子核自旋能够相当好地与外界环境隔离，之前量子信息保存35秒就是在核自旋系统中实现的。

为何让核自旋与外界相互作用，研究团队在两个磷原子核之间引入了一个电子。当两个核关联到一个电子时，就可以通过共有的电子进行交互。

△ 红色点表示磷原子核，外侧闪亮的椭圆代表电子

论文作者之一Serwan Asaad博士说：

如果您将核自旋与电子纠缠在一起，那么电子可以移动到另一个地方，并与更远地方的其他量子比特核纠缠在一起，从而开辟能够大量进行鲁棒和实用量子计算的道路。

而在硅材料中掺杂磷原子是半导体行业的基本操作（用于制造n型半导体），所以这项技术能与现在的计算机技术兼容。

最后，他们使用门集断层扫描（GST）技术精确地描述了量子操作，得出1量子比特的平均门保真度为99.95%，2量子比特平均门保真度为99.37%，2量子比特制备/测量保真度高达98.95%。

这三个指标表明，硅原子核自旋正在接近容错量子处理器所需的性能要求。

现在所有经典计算机都有某种形式的误差校正和数据冗余，但量子物理定律对量子计算机中的校正方式构成了严重限制。

论文通讯作者Morello说：

通常需要低于1%的错误率，才能应用量子纠错协议。现在已经实现这一目标，我们可以开始设计硅量子处理器，这些处理器可以可靠地扩展和运行，来进行有用的计算。

团队合作带来3篇论文

今天Nature封面的3篇论文分别实现了以下成果：

1、澳大利亚新南威尔士大学团队通过离子注入硅，在电子和两个磷原子组成的三量子比特系统上实现了1量子比特99.95%和2量子比特99.37%的保真度。

2、荷兰代尔夫特理工大学团队使用硅/硅锗合金量子点的电子自旋，实现了1量子比特99.87%和2量子比特99.65%的保真度。

3、日本RIKEN团队同样在使用硅/硅锗合金量子点的双电子系统，实现了1量子比特99.84%和2量子比特99.51%的保真度。

虽然各团队分别独立发表了实验结果，但是离不开他们之间广泛的学术交流，包括实验技术、材料、人员的相互流通。

△ UNSW团队，从左至右分别为Asaad Serwan博士、 Andrea Morello教授和Mateusz Madzik博士

• UNSW论文的一作Mateusz Mądzik博士，现在是代尔夫特团队的博士后；另一位Serwan Asaad博士原来是代尔夫特理工大学的学生。
• 代尔夫特团队负责人Lieven Vandersypen曾2016年在UNSW进行了为期五个月学术休假访问。
• RIKEN团队负责人Giordano Scappucci博士是UNSW的前研究员。

此外还有：

• 代尔夫特理工大学和RIKEN组使用的硅/硅锗合金量子点都是由前者制作，并在两组之间共享。
• UNSW团队使用的同位素纯化硅材料，则由日本庆应大学的Kohei Itoh教授提供。
• 论文中关键的门集断层扫描（GST）方法，是由美国Sandia国家实验室开发并公开提供。