量子计算突破：实现三个硅自旋量子比特纠缠

日本最大的研究机构RIKEN的研究人员将可纠缠的硅基自旋量子比特的数量从两个增加到三个，该研究突出了自旋量子比特在实现多量子比特量子算法方面的潜力，迈出了扩展基于自旋量子比特的量子系统能力的第一步。

对于硅量子比特技术而言，虽然它没有其他一些量子比特技术那么成熟，但被称为硅量子点的微小硅块具有一些特性，使其对实现量子比特具有高度吸引力。

这些特性包括长相干时间、高保真电气控制、高温操作和巨大的可扩展性潜力。

然而，要有效地连接几个硅基自旋量子比特，关键是要能够纠缠两个以上的量子比特，这是物理学家们迄今为止一直在追寻的成果。

图1｜设备的扫描电子显微照片，紫色和绿色结构代表铝门（来源：RIKEN）


RIKEN 新兴物质科学中心的研究人员现在已经在硅中初始化并测量了一个具有高保真度的三量子比特阵列（一个量子比特处于预期状态的概率）。他们还将三个纠缠的量子比特组合在一个设备中。

该演示的成功是扩展基于自旋量子比特的量子系统能力的第一步。双量子比特操作足以执行基本的逻辑计算，但三量子比特系统是扩大规模和实施纠错的最小单位。

研究人员的设备由硅或硅-锗异质结构上的三量子点组成，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。

图2｜实现硅自旋三量子比特纠缠态的研究人员（来源：RIKEN）


研究人员首先通过实现一个双量子比特门将其中的两个量子比特纠缠在一起，这是一个小型的量子线路，构成了量子计算设备的组成部分。然后通过结合第三个量子比特和门实现了三量子比特的纠缠。由此产生的三量子比特状态具有 88% 的非常高的状态保真度，并且处于可用于纠错的纠缠状态。

这个演示只是导致大规模量子计算机的宏伟计划的研究过程的开始。 研究人员表示，他们计划使用三量子比特设备演示原始纠错，并制造具有十个或更多量子比特的设备，然后开发50到100个量子比特，并实施更复杂的纠错协议，以为十年内实现大规模量子计算机铺平道路。


论文：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00925-0

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